无线充电的四种方式及比较

随着基础设施、可穿戴设备等领域的快速发展，无线充电技术在这些领域得到了一定的应用。经预测，到 2024 年无线充电市场将增至近每年 150 亿美元的规模。无线充电技术对手机用户和公共基础设施都有很大好处。手机制造商、充电板制造商和无线电力联盟希望每个人在家里、办公室、家具里以及各种公共交通工具上都有一个Qi无线充电装置和笔记本电脑也可以具备无线充电功能，只要稍微创新一下设计。当然，无线充电一旦技术壁垒得到突破，将在电动汽车上拥有非常广泛的应用前景。本文主要从无线充电技术的历史、相应技术、产品的应用以及技术发展趋势等几方面进行介绍。希望对大家在今后的项目设计中能有所帮助。

无线充电的起因
当你把手机放在充电板上，而不是使用有线充电电缆进行充电时，这确实是一种非常好选择。而且，如果所有的无线充电板都是一样或者普及的话，你可以让你的手机在你的车里、机场、咖啡店和办公桌上保持充电状态。你甚至不用再检查你的充电状态了，因为有些电子设备总是要充电的。
无线充电为电子设备的供电供应提供了巨大的便捷。例如，在餐馆、飞机和火车上的垫子不需要和USB端口一样的维护级别。通常来说，相较于USB接口的充电方式，无线充电线圈具有不易磨损等显著优势。
而且，对于物联网来说，超低功耗连接设备数量的惊人增长让我们思考：为什么不使用无线技术给它们的电池充电，或者连续无线充电呢？其他一些紧凑型消费类电子产品如智能手表、手环，没有任何连接空间，因此无线充电或可更换电池是主要的解决方案。
在家里，我们现在有无线充电的牙刷和剃须刀。自20世纪60年代以来，无线充电就被应用于医疗领域，为除颤器、起搏器和位于皮肤下的传感器充电。显然，在这种应用中可靠性、安全性、密封性以及防水性是至关重要的。
还有一种适用于中等功率的WPT（无线功率传输）标准，最大功率可以扩展到200瓦。现在有人说，未来厨房的各种电器设备都可以使用无线供充电。但是目前，我们并没有完全掌握这种技术，尤其是大功率的无线充电。
通常，无线充电装置有两个缺点。第一， 在有线的情况下，则可以在充电时四处走动并使用手机。但是，至少受到电源线长度的限制。第二，WPT常常效率不高，因此我们可能会消耗了更多能量。
从2018年开始，几乎每个新下线的汽车或卡车都提供符合Qi标准的无线充电功能。 至少到目前为止。未来，汽车行业用将成为最大的无线充电应用市场。

无线充电的“历史”
麦克斯韦方程于1864年被引入，用来描述电场、磁场和电磁场。1873年麦克斯韦的《电与磁论》一书把这两种力统一起来，为进一步研究的基础。1884年左右，约翰·亨利·波因廷定义了波因廷矢量，该矢量描述了电磁辐射区域内复杂的功率流，并对无线功率传输系统进行了正确的分析。技术先驱尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在1891年展示了无线充电的潜力，用无线“感应式”方法来传输电量点亮白炽灯泡，并用微波方式来实现。特斯拉还指出，高频电流很容易通过略为稀薄的空气，并建议将其用于驱动距离电源相当远的电机和灯具，高频谐振变压器是此类系统的重要组成部分。
也许这是特斯拉在科罗拉多实验室用广播电源做的最复杂的实验，虽然有人说这是一个神话，是用200个50瓦的灯泡，每个灯泡都是无线的，电流通过地面循环，没有任何电线连接，距离26英里。他在实验室通过一个线圈传输大约10,000瓦的能量来完成这项工作。这种传输的频率被认为小于150KHz。特斯拉确定地球电磁场的共振频率约为8Hz这在50年后得到证实。1964年，被誉为实用无线充电工程师的 W.C. Brown 通过所谓的矩形天线实现了微波信号（2.45GHz）的接收并转换为电能。

无线充电的四种方式及比较：
1、电磁感应方式：电流通过线圈，线圈产生磁场，对附近线圈产生感应电动势从而产生电流。这种技术适合短距离的充电，转换效率高（80%左右这项技术在100至250KHz的频率范围内工作最佳，功率最大为5W。充电效率最高可达80%左右并且具有非常低的EMI优势。
2、磁共振方式：发送端能量遇到共振频率相同的接收端。由共振效应进行电能传输。允许在线圈直径的4到10倍的范围内进行高效的功率无线传输，传输效率可到数KW。比电磁感应方式要远得多。这项技术是目前电动汽车充电的最爱。但是充电效率较低只有50%左右。这项技术在13.56MHz的频率范围内工作。
3、电场耦合方式：利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电力。适用于短距离充电转换效率较高，发热低，位置不固定。充电效率可达70%-80%。这项技术在560至700KHz的频率范围内工作。
4、无线电波方式：将环境电磁波转换为电流，通过电路传输电流。传输距离通常可以大于10米，这种充电方式比较适合远距离小功率充电，转换效率较低，只有38%左右。这项技术在2.45GHz的频率范围内工作。

无线电能传输（WPT）
　　由无线电源联盟（WPC）发起的Qi规范已成为手机/智能手表无线充电的标准之一。Qi可广泛应用于手机、MP3、照相机等手持低功率设备中。已有多款电子产品采用了Qi无线充电技术。Qi目前设计是为5W以下的电子产品提供无线充电。而在远景计划中，WPC计划将Qi应用到家庭、汽车、火车等各个公共场所，从而让消费者可以随时、快捷地享受无线充电带来的便利。 由于，5W版本规范从2009年8月就开始了。然而，第一款带有集成Qi接收器的手机产品直到2011年3月才发布。
　　2015年6月，无线电源联盟（A4WP）和电源管理联盟（PMA）于合并成立了AirFuel无线充电联盟。该联盟还发布了兼容的类似感应无线充电规范及其AirFuel RF-WPT标准。据说，AirFuel的谐振感应充电使用独特设计的线圈，允许移动更长的距离。这个充电技术基于Rezence规范（可让硬件厂商制作出能够穿透衣物和其他材料的无线充电器蓝牙低功耗通信链路被用于控制功率电平等，并且功率传输频率为6.78MHz。
　　至于无线电波传输，POWERCAST是一家是基于射频（RF）的远距离供电无线充电技术的先驱。自2003年以来，POWERCAST已帮助客户为无线传感器网络，防水设计，智能带，RFID标签以及其他商业和工业设备供电，并于2017年推出了为消费类电子设备供电的解决方案。最近展示该公司最新的应用于消费类市场的长距离无线充电产品。这项 3W 无线充电技术采用了 915 MHz 的ISM 频段，无需在目视范围内配备充电板或导线，只要在接收端配备一颗接收芯片即可。虽然功率较小，但它的特色是覆盖距离达到了 80 英尺（约 24 米）远。这项技术可为桌面上 30 台设备提供无线充电所需的能量。

　　　　电子设备的Qi充电
　　随着最新的苹果手机采用Qi无线充电技术，无线充电将是手机等消费电子产品的标配。Qi标准则已经在该领域内占据绝对的主流优势地位。Qi无线充电系统由电源发射器、电源接收器的移动设备组成。当移动设备放在充电板上时，接收器与发射器之间进行通信，请求所需的适当功率。发射器通过耦合的电感器将功率传输到接收器。接收器将反馈信号发送到发送器，以请求所需功率大小，并且发送器根据闭环数字控制回路中的需要监视并根据此信息进行操作。
　　Qi无线充电标准使用两个平面线圈之间的感应耦合来传输功率，通常两个线圈之间的间隙小于5mm。这将允许您在手机上使用（薄型）手机外壳。这种紧密耦合方法具有漏电流小、电磁干扰小的优点。这对于出于公共健康原因反对任何类型辐射的人们来说都是一件好事。
　　最新的Qi规范（1.2.4.）可实现高达15W的功率，而早期基于Qi的最大为功率仅为5W。不过，有人担心在某些情况下，手机中的接收线圈可能会在这种更高的功率下需要进行预热。事实上，我们并不想预热手机电池，因为这可能会影响性能和寿命。目前，只有少数手机可以支持15W无线充电。通常，工程师可能会选择10W或7.5W为代表的发射器。
　　Qi充电的频率在110到205kHz之间，低功率充电器的频率在5W以下，中功率充电器的频率在80到300kHz之间。Qi标准是由无线电力联盟开发的，适用于40毫米（1.6英寸）的电力传输。这是一个近场系统，自2015年1.2版以来，它结合了一种共振形式，以提高耦合和效率。Qi规范的当前版本是1.2.4。这意味着在2018年3月8日之后过认证的无线充电产品将不再适用Qi v1.2.3，而是按照Qi v1.2.4标准过认证了。

　　无线充电系统的元件和开发工具推荐
　　Qi系统由一个扁平的充电板和一个装有兼容接收器的移动设备组成。当手机放在充电垫上时，设备通过电磁感应放电。本质上，交流电流通过充电板中的线圈产生磁场，在接收器的线圈中产生电压，然后可用于直接为移动设备供电或为电池充电。 因此选择一个高质量的元器件对无线充电系统的稳定性有着非常重要的作用。自2009年引入无线电力联盟的Qi标准以来，许多符合Qi标准的无线充电集成电路解决方案已经面世。今天的Qi半导体产品将所有必需的智能、控制、电源管理和通信功能集成到小型封装中，使终端设备设计师能够实现高性能和高效率的目标，同时满足具有竞争力的成本、小型化和快速上市的目标。
　　开发Qi无线充电终端应用程序的最有效方法是从可用的评估套件（EVK）或评估模块（EVM）开始。 这些工具使设计人员可以轻松快速地演示预期设备的功能和性能，从而加快开发工作。某些工具甚至可能已经获得独立测试机构的Qi认证，因此可以用作符合Qi的参考设计。STMicroelectronics的 STEVAL-ISB047V1评估套件支持为符合Qi标准的设备提供无线电池充电，功率高达15W。STEVAL-ISB047V1还支持专有快速充电模式，功率高达10W。该套件的发射器基于STWBC-MC，采用性价比高的半桥拓扑结构，通过UART提供外部接口。该评估套件装配完整，包含板、固件、调试GUI、示意图、布局文件以及物料清单。STEVAL-ISB047V1的工具可从网站www.st.com上获取，支持访问运行信息，例如提供的功率、调节错误和协议状态。参数也可以使用这些工具调整。
　　
　　图1：STEVAL-ISB047V1评估套件（来源：贸泽电子） 实现一个符合Qi标准的无线充电系统，最重要的是磁学的正确实现。为了达到这一目的，Qi标准概述了发射机和接收机线圈的物理要求。该标准还提供了有关将线圈调至谐振的信息。
　　Würth Elektronik 的Qi无线电源充电线圈 WE-WPCC可通过电感耦合，以无线方式传输电力。这些充电线圈和接收器超越了Qi标准的20W，多数线圈的处理能力高达200W。Qi无线线圈包含发射线圈和接收线圈，这些线圈以电感耦合，发射线圈内的AC电流会产生磁场，并在接收线圈中产生感应电压。Qi无线充电线圈采用利兹线缠绕而非双线，因此可提供优异的性能，以及最低的DCR与最高的Q值。发射线圈与接收线圈搭配使用时，最高可达到93%的效率。
　　
　　图2：Würth Elektronik Qi 无线电源充电线圈

无线充电技术的趋势
　　尽快相比于有线充电，无线充电可以带来很多的优势，但是，不可否认目前还有一些缺陷，例如：充电效率要大大低于有线连接，功耗大约为20%-40%之间。但是对于低功率的移动设备而言，这些损耗可以忽略。尽快目前技术还有一些问题。但是，手机制造商、家电制造商和Air Fuel组织希望每个人在家里、办公室、家具里以及各种公共交通工具上都有一个Qi充电板。无线电源技术仍在不断发展，技术将朝哪个方向发展，专有充电方式将产生什么影响？制造商是否将提供支持多种标准的多模式解决方案？还有待观察和进一步确定。