近场/远距无线充电技术大革新 不止于摆脱线缆这么简单

　　便携设备无线充电的优势远远不止于摆脱线缆的束缚。智能型手机制造商早在2013年就开始在其智能型手机中整合无线充电功能。未来，行动设备的无线充电功能有望像Wi-Fi和蓝牙一样普及。

　　2015年6月无线电源联盟（Alliance for Wireless Power， A4WP）和电力事业联盟（Power Matters Alliance， PMA）合并，组成AirFuel联盟（AirFuel Alliance）。这一合并之举加速了未来消费者无论到何处，设备充电将具有互操作性、便利性的愿景实现。

　　近场感应充电

　　尼古拉特斯拉（Nikola Tesla）最早在19世纪80年代证明了近场或磁共振充电，透过振荡磁场传递能量（图1）。

　　图一磁共振示意图

　　从发射器传递到接收器的电流和电压必须是交流电。充当发射器的充电垫从墙上插座中汲取电力，将交流电网电压进行降压并转换为直流，为发射器的驱动器和控制器电路提供偏置。驱动器和控制器产生开关讯号，并可调节开关频率，将直流电再变为交流电，输入到初级侧线圈。

　　在接收器侧，交流电经过整流后，透过同步转换进行调节，用于对电池充电。根据接收器所需的功率大小，线圈中的频率发生变化。通讯讯号迭加在功率讯号上，所以两者均知道设备已经放在了充电垫上。感应充电效率较高，但对于线圈是否对准非常敏感。需要将耦合线圈调节到略微偏离谐振频率，以优化功率传输（图2）。

　　图2 近场感应充电系统

　　无线充电联盟（Wireless Power Consortium， WPC）制定的Qi是目前主流的近场无线充电标准之一，该共同体包括200多家公司。AirFuel近距离磁感应（Inductive）是另一种标准。Powermat是桥接技术的很好例子，该技术提供通用环，配合充电垫使用，为便携设备充电。

　　近场共振充电

　　共振充电是另一种近场充电形式，与电磁场工作原理相同，但需要共振器前端（图3）。该标准由AirFuel Resonant主导，允许发射器和接收器之间的距离较短。单个6.78MHz发射器可支持多个接收器，无需实物对准。然而，接收器和发射器之间要求严格的频率匹配，从而在特定线圈尺寸下最大程度地延长功率传输距离。随着连接设备数量增多和距离延长，传输功率下降。发射器和每个接收器之间，需要具有独立的双向信道，通常是由蓝牙来负责这项任务。

　　图3 近场共振充电系统

　　表1为Qi、AirFuel Inductive及AirFuel Resonant三种近场充电标准比较表。值得注意的是，无论是电磁感应还是共振充电，发射器和接收器之间都必须保持在最短距离以上。

　　表1 近场充电标准比较

　　由于存在两种标准，通用汽车（GM）宣布其汽车将同时支持AirFuel Inductive和Qi标准。三星（Samsung）也决定其手机将支持两种标准。
       

　　远距充电系统

　　相较于近场充电系统，远距充电系统将能量从功率集线器传递至特定设备的方法更为多元，蓝牙、Wi-Fi、超音波和红外线等都曾被试用过（图4）。

　　图4 远距共振充电系统

　　基于射频（RF）的系统如WattUp、Cota，均使用一个或多个天线广播能量并进行通讯。2015年10月，力拱WattUp的Energous公司宣布可提供首款射频功率接收器IC，该组件可将射频整流为直流讯号，让可携式设备也能支持WattUp充电技术。

　　另一种基于射频技术的Cota无线充电技术，实际上是使用现有的Wi-Fi和蓝牙天线来实现数据通讯和接收无线功率，然后将这些微讯号挹注到电池的充电电流。值得一提的是，Cota会将接受电力的设备数据，包含电池充电特征数据传输回电源路由器，待两端建立起持续的通讯链路后，再由电源路由器向接收器所在的位置发射能量束。

　　以uBeam为代表的超音波系统中，路由器中的讯号产生器负责产生电讯号，发送到放大器。然后将经过放大的讯号连接至转换器，产生超音波，经过聚焦并发送到接收器。受电端内建的压电转换器在接收到超音波所施加的压力后，便会产生充电电流。系统两侧使用的转换器必须具备高效率，并且能承受大能量讯号（图5）。

　　图5 压电转换器

　　另一家新创公司Wi-Charge则专注于将红外线转换为电力。发射端透过雷射二极管向接收器准确地射出红外线光束，接收器中的太阳能电池则负责将红外线光转换回电能。该公司于2015年2月在旧金山进行了系统功能展示，证明其概念可行。红外线技术虽然必须在视线范围内才能运作，但具备无电磁干扰（EMI）辐射这项明显优势。表2为各公司远距充电技术比较示例。

　　表2 远距充电方法示例

　　无线充电系统实作应注意六大重点

　　相较于有线充电，无线充电系统在先天上有许多变数，在实作时应特别注意。