在无线充电的变革中容纳新产业标准

　　引言
　　无线充电技术是电子产业中增长显著的领域，并使范围广泛的应用得到提升。消费者对于电池供电便携式电子设备的绝对需求以及这些设备不断充电的不便驱动了无线充电技术的销量增长。业界推出的能够进行无线充电的便携式设备已经在快速增长，随着这种增长趋势的继续，无线充电将成为我们日常生活的一部分，也将是便携式设备使用的一个常态。
　　由于开发标准、解决方案小型化和低成本等要求，磁感应(MI)和磁共振(MR)是目前消费电子市场的两种主要无线充电传输技术。MI采用紧密的磁耦合，目前具有较高的电力传输能力、易于设计、高效率等特性，而MR则具有更大的空间自由度，每个发射台支持多个接收设备，在近场金属物体上的热积累较小。在MI领域有两个主要标准：无线充电联盟(WPC)的‘Qi’标准，以及Power Matters Alliance(PMA，功率关键联盟)的有关标准。对于当今基于MI的便携式设备设计人员，这便产生了一个是要与Qi兼容，还是与PMA兼容，或者与两个标准都兼容的问题。MR领域的标准主要由A4WP(无线充电联盟)主导。兼容Qi或者PMA标准的产品目前已经上市，预计明年会出现基于A4WP的产品。本文将回顾无线充电技术的进展以及相关的MI和MR技术，还将讨论当今的MI无线充电接收器IC芯片制造商如何帮助克服MI技术的双重标准挑战。
　　快速发展的无线充电世界
　　在我们日常个人生活和商业活动的许多方面，通过有线连接进行充电和数据传输有很多难以回避的不便之处。无线方式进行数据访问已经相当普遍，而类似轻松的无线充电却没能实现。外出旅行时，要带上笨重的电源插座、电缆和适配器，然后到处去找“公共”电源去充电，这是经常遇到的烦恼。
　　如果一个广泛的无线充电生态系统得以建成，移动手机将会受益最多，这主要由于以下几个原因。大尺寸和高亮度显示屏、功能强大的多核处理器、电路板上的多个射频、需要实时数据的应用、以及新的生物应用等会导致一天要多次对手机充电，消费者同时要求更轻、更薄的设备。然而，锂电池的功率密度并没有随之相应地提高。为满足消费者的需求，很多便携式设备生产商已经发售了符合Qi(目前主流的无线充电标准)标准的移动手机。移动运营商也希望能够对移动设备不断进行充电，以便用户可以不停地消耗无线数据流量，因此，它们在很积极地推动建设无线充电生态系统。
　　把移动设备放在支持无线充电的设备表面进行随时随地无线充电，这要求发射台无处不在，在一些领域已经开始建设这种基础设施。用于家庭和办公室的Qi和PMA发射台目前已经以多种形款面市。在丰田和克莱斯勒等汽车公司的新款汽车中已经设置了Qi发射器，更多新车款和新型号以及大量的售后汽车解决方案也将会提供类似功能。PMA正在迅速地签署一些合作伙伴，他们有兴趣在餐馆、零售店、饭店以及其他场合部署无线充电生态系统和智能网络，从而吸引更多的消费者，并有可能带来更多的收益。例如，星巴克的“Never Powerless(不会没电)”项目去年首先在美国波士顿开始实施，已经扩展到在硅谷地区建设新站，中期计划是在美国提供1百多万个充电点。[1]
　　在建设发射站生态系统的过程中，那些能够支持多种无线充电标准的移动设备获益最多。IMS最近的研究报告突出阐述了IDT等公司推出的模拟和数字技术的快速发展，以及市场对于无线充电技术不断增长的需求。报告认为今后几年无线充电技术出货量将呈现出高速增长的局面，2016年出货量会超过3亿，2018年出货量会达到10亿。从2011年一个几乎不存在的市场起步，这代表了一个非常强劲的增长速度。[1]

　　图1：无线充电将使移动手机等便携式设备的使用更加方便，不再需要携带多个专用设备充电器和电缆
　　磁感应和磁共振
　　磁感应技术(Qi和PMA)是首先面市的，并主导最初的无线充电市场。但是，磁共振(A4WP)相对于MI也有一些真正的优势，当然也面临一些挑战。A4WP 工作在6.78MHz的固定频率，而Qi则工作在110-205KHz频率范围。很明显，依据法拉第的电感定律，A4WP的松散耦合因子(位置更灵活)其充电传输效率更高。频率越高以及线圈电压越高可使接收线圈更小更薄，这样可使移动设备的机械结构更容易实现。工作在较高频率下的另一好处是，由于发射台表面涡流很小，因此，其外部附近金属物体的热积累也很小。这也意味着，待充电设备(如电池)中存在的金属不会积热。A4WP标准使用了双向蓝牙?低功耗(Bluetooth? Low Energy ，BLE)带外信号与待充电设备进行通信和对电源进行调节。相比之下，Qi和PMA使用负载调制单向带内通信方法，把电源调节信息传送回发射器。Qi标准的方法简单，成本低，但仅能应对一个接收器，仅仅限于低速通信，容易受到系统产生的EMI影响。
　　MR实施起来会遇到一些挑战，但这些正在被解决，产品解决方案也正在被优化以满足大批量应用市场的需要。MR接收器采用高Q因子的LC谐振腔设计，并直接工作在共振频率上。MR的挑战是在温度和电压变化时，如何对谐振腔进行微调使其保持在固定共振频率上。在出现频率漂移时，效率会随之下降。MI标准实现起来简单一些，这是因为它总是工作在共振频率之上，因此，不需要高Q电路或者高精度无源器件。但是，MR高Q电路的高容差器件成本虽然高，但所需要的线圈成本却很低。无需屏蔽的MR接收线圈也很小，其绕线也要比MI线圈细小，因此，该关键器件的成本应较低。
　　无线充电系统产生的电磁辐射是消费者关心的一个问题，但这已经超出了本文的讨论范围。在机械结构方面，MI是紧耦合系统，意味着发射和接收线圈直接彼此接触以支持MI充电传输，也正是这种排列方式允许线圈顶部和底部直接使用铁氧体屏蔽层(见图2)。这些铁氧体屏蔽层有两种作用：首先，通过使铁氧体屏蔽层更靠近线圈，耦合更紧密，磁通线电流也就更大。其次，屏蔽层减小了系统的电磁辐射。MR是松散耦合系统，接收器距离发射器会有数十厘米远(见图3)，因此，铁氧体屏蔽层不具有MI方案中那样的优势。把辐射水平保持在安全范围之内是技术发展的一部分，也有利于无线充电技术在消费类市场的推广。

　　图2：磁场大多是使用铁氧体屏蔽材料来控制

　　图3：磁共振无线充电允许松散耦合和较大的空间自由度
　　近期MI双标准的挑战
　　在近期内，一个潜在的问题可能抑制无线充电台、热点桌和工作台等在机场、咖啡吧和娱乐场所等地的快速部署，那就是两种互相竞争的MI标准：Qi和PMA。两种技术都是可行的，都可提供可靠的性能，因此，都可能部署在公共无线充电热点场合。理论上讲，这会导致手机用户必须寻找与其设备兼容的某个无线充电接入点。这无疑会让消费者感到失望，由此可能降低其被采纳的程度。
　　作为一家开发无线充电解决方案的公司，IDT已经认识到了上述问题，并已通过开发无线充电接收器IC来解决这一问题。IDT开发的单片双模式接收器解决方案消除了传输标准之间的兼容性障碍。去年，IDT推出了业界集成度最高的发射器IC解决方案。今年，IDT公司又发布了第一款双模接收器解决方案。采用这些解决方案，移动设备和附件OEM不需要为不同标准生产多种型号的产品，从而降低了成本，也得以拥有更广阔的市场空间。OEM现在只需要一个物料成本表(BOM)，使用一个通用的电路板布局，从而降低了应用的资源占用。
　　结束语
　　无线充电是一项令人激动的新技术，它通过使移动手机具有更多的工作时间从而进一步促进移动手机的变革。通过专用产品充电适配器和笨重的电线对电池充电已经证明非常不方便，这或许是移动通信和计算最薄弱的一环。现在，随着快速发展的无线充电生态系统初具规模，可以预期有一天我们会把适配器和线缆留在家里，并最终完全不再需要这些。
　　MR和MI技术各有特色，能够满足不同的无线充电应用要求，都有未来发展空间。在所有这些不同技术中，互相竞争的标准对产业发展有好处，因为这有助于推动创新。但是，消费者感受到的困惑和挫折感却是很大的风险。MI双模接收器技术能够使便携式设备自动地在不同无线充电标准之间无缝切换，从而避免了上述复杂而又不满意的应用场景问题出现。
　　参考文献:
　　1. 功率关键联盟(Power Matters Alliance)网站文章: “Duracell Powermat与星巴克在硅谷地区拓展无线充电” http://www.powermatters.org/menuless/292-duracell-powermat-and-starbucks-expand-wireless-charging-in-silicon-valley-area