无线供电解决方案

前言

无线输电技术一直是人们关心的课题，早在上世纪初，Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究，虽然该项计划因资金等原因中途夭折，然而，远距离无线输电技术一直在进行着。特别是近年来，便携式电子产品大量涌现，以及传感器无线网络技术与MEMS器件的发展，推动了无线供电与无线网络技术的研发，并在理论研究和实用化技术方面取得了初步的成果。下面将简要地介绍该项工作所采用的方案和各种产品。

电磁波方案

电磁波，俗称无线电波是人们非常熟悉的一个概念。正是由于它的发现，才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能。美国一家公司Power Cast开发了这项技术，可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。整个系统基本上包含了两个部件，称为Power Caster的发射器模块和称为Powerharvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上(图1)。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。该项技术之所以会得到多家厂商的青睐，原因在于它独特的电磁波接收装置，能够根据不同的负载、电场强度来作调整，以维持稳定的直流电压。
 
图1 Powercast系统
 
图2变压器示意图

磁耦合方案

电磁感应是一项基本原理，交流电源中一个重要部件变压器就是利用它工作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。对图2所示的变压器基本电路，两个端口的电压降可表示为：

V1=jwL1I1-jwMI2
Y2=jwMI1-jwL2I2=ZLI2
式中L1、L2和M分别为初级电感、次级电感与互感，ZL是负载电阻。初、次级间耦合度可用耦合系数K来定义：
K=M/
耦合系数反映了变压器的优值，对于一个近似于理想的变压器，可简单表示为：
V1/V2≈L1/L2≈N1/N2
式中N1与N2分别是两个电感的匝数，就是所说的电压比等于匝数比。

对于无线供电或充电的装置而言，其初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中，因而线圈间的耦合是比较松散的。最早使用电磁感应原理的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，不采用直接充电方案，在充电座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电，整个电路消耗功率约3W。整套装置的示意图如图3。
 
图3 电动牙刷
 图4 塑料薄膜电源

日本东京大学的教授们设计了一种塑料薄膜电源(图4)，很有创意，用途也十分广泛。例如，可将它铺在地板上或桌子上，或嵌入在墙壁上，为圣诞树上发光二极管、装饰灯供电，为鱼缸水中灯泡或小型电机供电。薄膜电源由四层塑料薄膜组成，最低一层是电导可控的有机晶体管，上面是感测兼容电子设备接近的铜线圈，再上面是接通或关闭电源的MEMS开关，最上面一层是传送电能的铜线圈。制作工艺采用了丝网印刷和类似于喷墨打印的新工艺。它的工作过程是这样的；当物体处于薄膜2.5cm范围内时，最靠近的MEMS开关接通电源，电感线圈就利用感应原理向设备供电。据称，该项技术的效率是很高的，电源传输效率可达81.4%。目标的价位每平方米约100美元。

英国一家公司Splash power推出一款利用电磁感应原理的手持式设备无线充电器。主机Splash Pad是一个经久耐用、鼠标垫大小充电座，另一个部件是安置在PDA或手机内的Splash Module。图5是它的原理图。当设备放置在Splash Pad上时，Splash Module有效地从充电器吸收能量，为设备中的电池充电。Splash Module可按产生的电功率要求、空间大小和形状定制，直接整合在设备中，或作为一个附件使用。它的优点是：
 
图5 Splashpower系统示意图

.高效率接收器，符合设备充电协议。

.实时、合理的检测器，防止充电器误用。

.自动处于低功率状态，符合欧洲EnergyStar准则。

.可缩放的磁芯体拓扑，支持目前的和未来的产品市场。

电磁感应还被用来为MEMS器件供电。MEMS器件，尤其是内置执行器的微型器件对电源有特殊要求，这里无线供电就显示出它的优越性，没有物理限制，高电压和高功率可能性。实验采用类似于铁氧体变压器结构形式，初级线圈绕在磁芯上，次级级圈则制作在硅片上，由于次级线圈是分离的，磁芯一臂留有空隙，以便芯片放置在其中。变压器的具体参数