小功率无线电源及相关方案浅析

引言

随着科学技术的发展，各种便携式电子产品越来越多，现代的无线技术使它们变得越来越轻便，越来越容易联网，似乎把数字时代迅速地发展到了无线时代，然而电源线妨碍了我们进入这个无线时代。

在现实生活中，每个电子产品都有一个与之匹配的充电器，每年全球设计、生产、使用、制造、运输乃至回收数以十亿计算的电源适配器引发了一系列的问题，既增加产品的成本，又浪费资源、不利于环保，给使用者带来了相当大的困惑。具有统一标准的无线电源技术能够方便地解决这一系列的问题。

1、无线电源技术现状

无线电源技术是一种利用无线电技术传输电力能量的新技术，电能可以无接触地传输给负载。早在20 世纪70 年代美国就有相当多的人在研究这个问题了，但国内研究的人极少。2008 年12月17 日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、国家半导体、奥林巴斯、飞利浦、三洋、桑菲电子和德州仪器等公司成立了全球首个推动无线充电技术标准化的无线电源联盟（Wireless PowerConsortium，简称WPC），之后三星和诺基亚也加入到这个联盟。2009 年1 月，全球无线电源联盟首次会议在香港科学园召开，并启动了提高电子产品充电便利性的最新全球计划。2010 年7 月23 日，该联盟制定了Qi 标准，确定了低功率（不超过5W）技术规范，定义了界面规范、测试程序以及最低性能，2010 年8 月14 日认证了第一批产品。2010年8 月31 日，WPC 将Qi 标准正式引入中国，并开始了在国内的推广，之后WPC 陆续在香港和欧美多个城市，举办了标准发布活动。目前Qi 标准已被WPC的126 家行业领先成员公司支持并采用，其中有30%是中国公司，包括海尔、华为和桑菲通信等。

2、无线电源技术原理

无线电源技术是一种利用无线电传输电力能量的技术，它要求传输效率尽可能高，传输功率尽可能大，这样才能满足对电力的需求。其研究应用领域涉及广泛，传输功率相差较大，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率以及磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。目前存在三种解决技术：电磁感应技术、无线电波技术和电磁共振技术。

2.1、电磁感应技术

此技术类似电力系统中常用的变压器技术。在变压器的原边通入交变电流，副边由于电磁感应原理会产生感应电动势，若副边电路连通，即可出现感应电流，其方向遵从楞次定律，大小可由麦克斯韦电磁理论解出。相对于无线电源而言，变压器的原边相当于电源发射线圈，副边相当于电源接收线圈，这样就可以实现电能从发射线圈到接收线圈的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式制造成本较低、结构简单、技术可靠、传输功率可从几瓦到几百瓦。

但是传送距离小于1cm，被充电产品必须置于充电器附近，充电器必须具备对被充电产品进行辨识的能力，否则会向附近任意金属传输能量，导致其发热并产生危险。

2.2、电磁共振技术

这种技术基于电磁共振耦合原理，需要的发射和接收两个共振系统可分别由感应线圈制成。通过调整发射频率使发射端以某一高频率振动，其产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，在两个线圈间形成一种能量通道。接收端的固有频率与发射端频率相同，因而发生了共振。随着每一次共振，接收端感应器中会有更多的电压产生。经过多次共振，感应器表面就会集聚足够的能量，这样接收端在此非辐射磁场中接收能量，从而完成了磁能到电能的转换，实现了电能的无线传输。这种非接触式无线电力传输方式传输功率可达几千瓦、传送距离可达3~4 米，但是必须对所需频率进行保护，在几米范围内进行传输需要几MHz 到几百MHz 的频率。

2.3、无线电波技术

这种技术是利用微波或激光形式来实现电能的远程传输，系统由电磁波发生器、发射天线、接收天线、高频电磁波整流器、变电设备和有线电网组成。

电磁波发生器是微波源或激光器，把电源传送的电能转变为大功率、高频的电磁波，馈送给发射天线；发射天线将电磁波发送出去；接收天线收集电磁波的能量并输入高频电磁波整流器，产生的高压直流电经逆变后送入有线电网。这种非接触式无线电力传输方式传送距离可达10m，但是传输功率小（最高100mW）、功效低，发射器无线电波发送的大量功率以无线电波的方式被浪费掉。

3、目前小功率无线电源技术解决方案
3.1、TI 公司无线电源技术解决方案

2011 年德州仪器（TI）推出业界首款符合Qi 标准的5V 无线电源解决方