【導(dǎo)讀】科技的發(fā)展讓我們離“束縛”越來(lái)越遠(yuǎn)。對(duì)于各類電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō),充電器是非常重要的配件。當(dāng)我們向移動(dòng)和便攜式設(shè)備充電時(shí),當(dāng)前比較普遍的方法是用有線充電器進(jìn)行供電,但是瘋狂纏繞的充電線讓處于萬(wàn)物便捷時(shí)代的我們覺(jué)得失去了自由。
在這種情況下,無(wú)線充電技術(shù)正在走向市場(chǎng)。
無(wú)線充電技術(shù)不用通過(guò)連接器作為媒介,不需要常規(guī)意義上的充電器和電源線,只需放在充電座上就可以充電。與有線充電相比,無(wú)線充電不僅在安全性、靈活性、通用性等方面具備多重優(yōu)勢(shì),還可以減少頻繁的充電對(duì)設(shè)備充電接口的損耗。
無(wú)線充電最早可以追溯到1893年。特斯拉當(dāng)時(shí)通過(guò)兩個(gè)線圈點(diǎn)亮了一盞燈,用的正是無(wú)線充電技術(shù)。其實(shí),如今無(wú)線充電的基本原理還是這樣,即發(fā)射線圈通過(guò)感應(yīng)交流電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),使接收線圈中產(chǎn)生電流,實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸。
圖1:特斯拉無(wú)線電能傳輸試驗(yàn)原理圖
(圖源:高工鋰電網(wǎng))
目前常見的無(wú)線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式、電場(chǎng)耦合式。當(dāng)前手機(jī)無(wú)線充電大部分采用電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù),發(fā)射線圈安裝在在充電座上,接收線圈安裝在手機(jī)背面,當(dāng)手機(jī)靠近充電座的發(fā)射線圈時(shí),磁場(chǎng)會(huì)讓接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。在整個(gè)過(guò)程中能量由電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)場(chǎng)能再通過(guò)感應(yīng)線圈感應(yīng)生電,最終完成充電的過(guò)程。
作為未來(lái)重要的消費(fèi)電子潮流,無(wú)線充電近年來(lái)呈現(xiàn)出技術(shù)成果加快轉(zhuǎn)換、產(chǎn)品規(guī)?;慨a(chǎn)穩(wěn)步上升的趨勢(shì)。這點(diǎn)尤其體現(xiàn)在手機(jī)等智能電子設(shè)備領(lǐng)域。伴隨著智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,手機(jī)無(wú)線充電的“軍備競(jìng)賽”正開展地如火如荼,各個(gè)手機(jī)廠商都卯足了勁推出功率越來(lái)越大的新品。
早在2014年,蘋果便推出無(wú)線充電的AppleWatch;2015年,三星推出了支持無(wú)線充電服務(wù)的手機(jī),并相繼推出多款搭載無(wú)線充電手機(jī)服務(wù)的手機(jī)與無(wú)線充電器。不過(guò),受限于無(wú)線充電器充電功率較低、充電時(shí)易發(fā)熱等問(wèn)題,無(wú)線充電在初期推廣并不順利。
自2020年以來(lái),無(wú)線充電技術(shù)迅速發(fā)展,各大手機(jī)廠商均推出了自身的無(wú)線充電方案。2020年10月,蘋果將AppleWatch的充電方式嫁接到iPhone上面,推出了支持15W功率的Magsafe磁吸無(wú)線充電。該方案通過(guò)磁鐵的吸引力,使無(wú)線充電器與接收線圈能夠準(zhǔn)確定位、配對(duì),提升充電效率。
與蘋果、三星相比,在高功率快充方面的新技術(shù)嘗鮮中,國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商們跑得更快。華為、OPPO、小米等部分品牌智能手機(jī)早已實(shí)現(xiàn)50W無(wú)線充電,并且更高功率的無(wú)線充電產(chǎn)品還在繼續(xù)推出。2020年7月,OPPO發(fā)布了65W AirVOOC無(wú)線閃充;同年10月,小米展示了80W的無(wú)線快充解決方案,甚至120W的無(wú)線充電技術(shù)都已準(zhǔn)備就緒。
圖2
(圖源:小米)
可以看到,芯片和終端廠商們正在將無(wú)線充電往更高功率、更快充電速度上推進(jìn)。除了在手機(jī)端快速滲透外,無(wú)線充電也在加速向筆記本、智能手表、手環(huán)、掃地機(jī)器人、耳機(jī)以及汽車領(lǐng)域拓展。
無(wú)線充電技術(shù)在一定程度上打破了時(shí)間和空間的限制,萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代需要無(wú)線充電技術(shù)的加持??梢灶A(yù)見無(wú)線充電技術(shù)在未來(lái)將會(huì)有非常廣闊的應(yīng)用前景。
無(wú)線充電“功率競(jìng)賽”落幕
就在各大廠商準(zhǔn)備在無(wú)線充電功率方面大干一場(chǎng)的關(guān)鍵時(shí)刻,工信部正式出手,開始嚴(yán)格管控?zé)o線充電功率,擬規(guī)定所有生產(chǎn)、進(jìn)口在國(guó)內(nèi)銷售、使用的移動(dòng)和便攜式無(wú)線充電設(shè)備額定傳輸功率不超過(guò)50W。
圖3:
工信部《無(wú)線充電(電力傳輸)設(shè)備無(wú)線電管理暫行規(guī)定(征求意見稿)》
據(jù)了解,該意見稿目的在于規(guī)范無(wú)線充電(電力傳輸)設(shè)備有序使用無(wú)線電頻譜資源,避免對(duì)各類依法開展的無(wú)線電業(yè)務(wù)產(chǎn)生有害干擾,維護(hù)空中電波秩序。
簡(jiǎn)而言之,就是在目前無(wú)線設(shè)備越來(lái)越多的環(huán)境下,通過(guò)設(shè)定無(wú)線充電功率限制來(lái)避免設(shè)備間互相干擾。
如果上述征求意見稿最終獲得通過(guò),50W以上的無(wú)線快充產(chǎn)品都將成為“絕唱”,這意味著無(wú)線充電的“功率競(jìng)賽”就此落幕。
那么,對(duì)于以手機(jī)為代表的消費(fèi)電子設(shè)備充電而言,50W的無(wú)線充電技術(shù)能否滿足消費(fèi)者需求呢?
其實(shí),50W已是一個(gè)不低的無(wú)線充電功率水平。在2020年小米發(fā)布的50W無(wú)線秒充技術(shù)中,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)40分鐘即可將4500mAh大電池充至100%,充電速度超過(guò)了部分有線充電。畢竟蘋果手機(jī)目前的有線充電器功率才達(dá)到20W,磁吸無(wú)線充電還只有15W。對(duì)于消費(fèi)者而言,50W的無(wú)線充電功率足以滿足對(duì)于手機(jī)快充的需求。
然而,在“功率競(jìng)賽”告一段落之后,無(wú)線充電技術(shù)接下來(lái)要關(guān)注哪些技術(shù)點(diǎn)呢?
01 提升充電效率/轉(zhuǎn)化效率
我們先來(lái)了解一下無(wú)線充電系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。無(wú)線充電系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成。以電磁感應(yīng)方式為例,發(fā)射端與電源連接,電源被發(fā)射電路轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電流,高頻交流電使發(fā)射線圈產(chǎn)生波動(dòng)磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)在接收線圈上感
應(yīng)出交流電,然后接收電路再把電流轉(zhuǎn)化為直流電給設(shè)備電池進(jìn)行充電,這樣一來(lái)就實(shí)現(xiàn)了無(wú)線充電。
圖4:無(wú)線充電供電示意圖
( 圖源:行行查研究中心)
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是采用電磁感應(yīng)原理,實(shí)現(xiàn)“電生磁”-“磁生電”的相互轉(zhuǎn)化。從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看,無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)鏈主要包括方案設(shè)計(jì)、無(wú)線充電芯片、磁性材料、傳輸線圈、模塊制造等幾個(gè)環(huán)節(jié),行業(yè)入局者眾多。
其中,TDK是無(wú)線充電線圈領(lǐng)域的知名廠商,其面向智能手機(jī)及其他移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線充電線圈采用纖薄、靈活的金屬磁片,實(shí)現(xiàn)了行業(yè)最薄的厚度。這些TDK無(wú)線電力傳輸線圈裝置不僅超薄、超輕,同時(shí)也高度耐沖擊。
貿(mào)澤電子在售的TDK無(wú)線充電小型Rx(接收)線圈單元WR202010-18M8-SM接收器具有10.68μH電感和2.96Ω的最大直流電阻。
圖5:無(wú)線充電小型Rx線圈單元WR202010-18M8數(shù)據(jù)表
(圖源:TDK)
據(jù)了解,該線圈設(shè)計(jì)上盡可能降低了電阻值上升的趨勢(shì),并實(shí)現(xiàn)了滿足WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)要求的電力傳輸效率。TDK設(shè)備具有超薄外形及0.5-0.6A的輸出電流,可依據(jù)每項(xiàng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定制設(shè)計(jì),并且無(wú)鹵素,適用于智能手機(jī)、手持式移動(dòng)終端、DSC、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品的無(wú)線充電應(yīng)用中。無(wú)線接收線圈作為無(wú)線充電功能的重要硬件支持,其銷量必定會(huì)隨著無(wú)線充電功能的普及而不斷攀升。
從無(wú)線充電技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,現(xiàn)階段無(wú)線充電的效率大多處于60%-80%之間,而有線充電效率可達(dá)95%,兩種充電方式存在較大差距。因此,除了充電功率之外,充電效率和轉(zhuǎn)換效率也是制約無(wú)線充電速度的關(guān)鍵。
在電磁感應(yīng)模型中,電能轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)能,再由磁場(chǎng)能變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程必然存在一定的能量損耗,并且由于比有線充電多了感應(yīng)線圈這個(gè)“中間商”之后,能量轉(zhuǎn)化率也出現(xiàn)大幅的降低。因此,提高無(wú)線充電效率和轉(zhuǎn)換效率成為接下來(lái)行業(yè)要發(fā)力的方向之一。
提高效率可以從兩點(diǎn)出發(fā),一是增大輸出,另一個(gè)是減少損耗:
增大輸出方面,可以從材料選擇來(lái)著手。選擇好的磁性材料一方面可以增加磁通量,另一方面可以實(shí)現(xiàn)磁屏蔽。目前常用的磁性材料有鐵氧體、納米晶等,對(duì)磁通特性要求較高。無(wú)線充電的發(fā)射端與接收端上都覆蓋無(wú)線充電線圈,線圈在工作時(shí)都會(huì)有損耗,因而使用好的材質(zhì)可以降低線圈損耗,大大提升無(wú)線充電效率。
減少損耗方面,可以從優(yōu)化線路與元器件選擇來(lái)著手。線路上精簡(jiǎn)優(yōu)化好,并且元器件選擇好的材質(zhì),就可以減少輸出損耗。此外,發(fā)射和接收線圈的耦合設(shè)計(jì)以及制造工藝都影響充電效率,電子線圈高端產(chǎn)品的技術(shù)門檻較高,能提供高端產(chǎn)品的生產(chǎn)商數(shù)量有限。
在提升無(wú)線充電效率方面,Texas Instruments的產(chǎn)品表現(xiàn)出色。貿(mào)澤電子在售的Texas InstrumentsBQ51051BRHLR產(chǎn)品是一款高效、符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源接收器,適用于便攜式應(yīng)用的集成鋰離子/鋰聚合物電池充電控制器。
BQ51051BRHLR在單個(gè)封裝中集成了低阻抗同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、數(shù)字控制器、充電器控制器以及精確的電壓和電流環(huán)路。整個(gè)功率級(jí)(整流器和 LDO)使用低電阻N-MOSFET以確保高效率和低功耗,峰值A(chǔ)C-DC充電效率能達(dá)到93%。
圖6:Texas Instruments BQ51051BRHLR無(wú)線電源接收器功能框圖
(圖源:Mouser)
據(jù)了解,BQ51051B器件提供高效的AC-DC電源轉(zhuǎn)換,以及高效、安全地對(duì)鋰離子和鋰聚合物電池充電所需的各種控制算法。該器件與BQ500212A發(fā)送器側(cè)控制器一起為直接電池充電器解決方案提供完整的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)。
通過(guò)使用近場(chǎng)感應(yīng)電能傳輸,嵌入在便攜式設(shè)備中的接收線圈可以接收發(fā)射線圈傳輸?shù)碾娔埽缓髮?duì)來(lái)自接收器線圈的交流信號(hào)進(jìn)行整流和調(diào)理,以直接向電池供電。從接收器到發(fā)射器建立全局反饋,以穩(wěn)定功率傳輸過(guò)程。
TI 公司的無(wú)線充電產(chǎn)品組合改變了傳統(tǒng)的連接性,可提供各種無(wú)線電源發(fā)射器和接收器器件,適用于直接和間接充電應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)兼容和非兼容系統(tǒng),其豐富的無(wú)線充電解決方案極大的滿足了人們對(duì)于持續(xù)連接的需求。
02 增強(qiáng)易用性
目前,手機(jī)無(wú)線充電廣泛采用的是電磁感應(yīng)式技術(shù)。由于其研發(fā)門檻較低,技術(shù)趨于成熟,成本較低,因而被廠商廣泛使用。但電磁感應(yīng)無(wú)線充電局限較多,包括充電時(shí)需要對(duì)齊線圈、不能遠(yuǎn)距離無(wú)線充電、同時(shí)可充電設(shè)備的數(shù)量較少等。這幾大短板限制了電磁感應(yīng)無(wú)線充電的發(fā)展,致使該項(xiàng)技術(shù)在大部分應(yīng)用場(chǎng)景中優(yōu)勢(shì)不明顯,使用體驗(yàn)有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
為了解決以上問(wèn)題,電磁共振式無(wú)線充電技術(shù)出現(xiàn)了,其原理是發(fā)送端遇到共振頻率相同的接收端后,由共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù),即使沒(méi)有像電磁感應(yīng)式充電一樣對(duì)齊線圈的位置,也依然能充電,并且充電距離可達(dá)10厘米左右。這樣的距離與電磁感應(yīng)技術(shù)相比沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別,仍然不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線充電。其缺點(diǎn)是充電效率較低,并且距離越遠(yuǎn),傳輸功率越大,損耗也就越大。
為了實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)線充電,無(wú)線射頻技術(shù)又應(yīng)運(yùn)而生。這種全新的隔空充電技術(shù),通過(guò)發(fā)射裝置的天線輻射無(wú)線電波,再由接收裝置接收無(wú)線電波上承載的能量來(lái)完成“隔空”充電。這種充電方式覆蓋的范圍比前兩種技術(shù)遠(yuǎn)得多。相比接觸式無(wú)線充電,隔空充電才能讓消費(fèi)者真正感受到無(wú)線充電的魅力。
無(wú)線射頻技術(shù)是目前無(wú)線充電技術(shù)研發(fā)的前沿,諸多企業(yè)都在研發(fā)使用不同的無(wú)線射頻類型完成“隔空充電”,其優(yōu)點(diǎn)是充電距離遠(yuǎn),充電方式靈活,限制少,可以實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)線充電”。當(dāng)然這種技術(shù)也有潛在的不足,比如對(duì)人體的潛在影響以及轉(zhuǎn)換效率相比前兩種方式較低。
無(wú)線射頻技術(shù)被認(rèn)為是下一代無(wú)線充電設(shè)備的核心技術(shù),當(dāng)真正成熟、低成本的電磁共振和射頻無(wú)線充電器出現(xiàn)后,無(wú)線充電才能真正實(shí)現(xiàn)大家想象中的那種遠(yuǎn)高于插線充電的便利性。也許在消費(fèi)電子領(lǐng)域,無(wú)線充電技術(shù)將從現(xiàn)有的電磁感應(yīng)無(wú)線充電直接過(guò)渡到隔空充電,進(jìn)而從有限的無(wú)線,發(fā)展到真正的無(wú)線。
目前而言,隔空充電技術(shù)想要達(dá)到真正的實(shí)際應(yīng)用,仍有諸多問(wèn)題需要解決。綜合來(lái)看,不同的無(wú)線充電技術(shù)之間優(yōu)劣各異,隨著市場(chǎng)需求以及技術(shù)演進(jìn)的趨勢(shì),每種技術(shù)都在尋求新的突破口。
圖7:無(wú)線充電技術(shù)模式對(duì)比
(圖源:頭豹研究院)
03 EMI(電磁干擾)控制
所謂EMI(電磁干擾),是指任何能使設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí)的電磁現(xiàn)象。
由于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在傳播過(guò)程中需要借助磁耦合機(jī)構(gòu)將發(fā)射側(cè)的電能轉(zhuǎn)化成高頻磁場(chǎng),因而容易產(chǎn)生EMI信號(hào)。這些EMI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射,不僅會(huì)污染電磁環(huán)境,還會(huì)對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾。
同時(shí),無(wú)線充電是輻射開放的磁場(chǎng),開放磁場(chǎng)可能會(huì)對(duì)外部其它設(shè)備產(chǎn)生影響。所以在做芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候,需要通過(guò)降低寄生參數(shù)、調(diào)整驅(qū)動(dòng)的速度和時(shí)間以及添加磁性材料等方式來(lái)屏蔽電磁干擾,降低電磁干擾帶來(lái)的影響。
如在無(wú)線充電的發(fā)射和接收端,可采用鐵氧體等低成本軟磁材料。通過(guò)對(duì)鐵氧體屏蔽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效降低耦合機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)泄漏,達(dá)到控制EMI的目的。
由此可見,無(wú)線充電芯片和線圈對(duì)EMI有著較高要求。貿(mào)澤電子在售的來(lái)自Vishay的Dale IWTX-4646BE-50無(wú)線充電發(fā)射器線圈能夠提供耐用的結(jié)構(gòu)和高磁導(dǎo)率屏蔽,該線圈在19V輸入電壓下能提供超過(guò)70%的效率。
圖8:Vishay-Dale IWTX-4646BE-50無(wú)線充電線圈
(圖源:Mouser)
IWTX-4646BE-50線圈配備不受永久定位磁鐵影響的高飽和鐵粉,可與Vishay符合WPC的無(wú)線接收線圈配套使用。尺寸更大的鐵氧體線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)飽和。IWTX-4646BE-50在4000高斯磁場(chǎng)下的磁飽和為50%,可替代此類線圈。
綜合上述內(nèi)容來(lái)看,“功率競(jìng)賽”之外,提升充電效率、增強(qiáng)易用性、控制無(wú)線充電系統(tǒng)的電磁干擾等或?qū)⒊蔀樾袠I(yè)廠商接下來(lái)需要關(guān)注的重點(diǎn)方向。
而在無(wú)線充電方面一直表現(xiàn)亮眼的小米,自2018年推出首款無(wú)線充電手機(jī)以來(lái),一直致力于推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展。近日,小米推出了“小感量+磁吸”無(wú)線充電預(yù)研技術(shù),磁吸無(wú)線充電功率可達(dá)50W,損耗降低50%,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了“革命性的無(wú)線充電體驗(yàn)”。
無(wú)線充電市場(chǎng)前景可觀
近幾年隨著無(wú)線充電的不斷普及和推廣,消費(fèi)者對(duì)于無(wú)線充電的認(rèn)知度和接受度正在不斷提高,無(wú)線充電所應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)展。
據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),全球無(wú)線充電市場(chǎng)規(guī)模從2016年的34億美元增長(zhǎng)至2020年的90億美元,年均復(fù)合增速超過(guò)40%,2021年全球無(wú)線充電市場(chǎng)規(guī)模突破百億美元,市場(chǎng)前景廣闊。
圖9:(圖源:行行查研究中心)
未來(lái),隨著行業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的改進(jìn)、無(wú)線充電效率和易用性的提升,行業(yè)廠商將以更新、更好、更快且更具成本效益的無(wú)線充電解決方案,繼續(xù)推動(dòng)無(wú)線充電技術(shù)向前發(fā)展,以及市場(chǎng)預(yù)滲透率的持續(xù)攀升。
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