无线充电技术

无线充电技术Wirelesschargingtechnology2016/9/20葉焱強◆引言◆无线充电技术◆技术方案◆技术标准(Qi)◆技术猜想电磁理论基础法拉第电磁感应定律：闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。法拉第电磁感应定律是磁产生电的最基本理论：闭合的回路，当穿过它的磁通量发生变化时，会在此回路中产生电流。由此奠定了变化的磁场能感应出电场的理论基础。无线充电：将电能以无线的方式传输。无线传输可以传输哪些东西：◆电信号(信息)◆热能◆电能◆…无线传输即电磁转换辐射的过程。无线传输电信号是我们见过最多的形式。除了电信号，我们生活中由将电磁辐射能量直接转换成热能的最典型例子：电磁炉。实际上，不管是电磁能转换成热能还是其他能量，其本质都是电与磁相互转换的过程。电磁能到热能交换的设备电磁炉电磁炉通过其线圈中的交变电流产生辐射的磁场。这个磁场为什么能加热金属锅底，其本质还是磁场辐射到金属锅底产生电流的结果。这个电流就是涡流效应。涡流将感应电流完全用于发热我们把金属锅底看成无数圈线圈组成的线圈结构，这个时候理解电磁炉加热的原理就简单了：电磁炉产生的磁场耦合到金属锅底这些线圈上，在线圈中产生电流。线圈是短路的结构，因此短路电流全部转化成热能，从而加热锅底。无线充电：将电能以无线的方式传输。无线传输可以传输哪些东西：◆电信号(信息)◆热能◆电能◆…接下来看看通过电磁辐射传输电能的例子。隔离变压器无线输电的有芯模型最典型的也是最常见的例子：变压器。变压器实际上就是无线传输电能的模型。初级和次级线圈没有直接的物理连接，它们通过线圈直接的磁场耦合将电能从初级传输到次级。变压器的铁芯作用是为磁场提供一个有效的回路，从而使初级线圈产生的磁场能更好的耦合到次级线圈。变压器的铁芯产生的涡流效应会带来大量热，效率降低。因此变压器的铁芯通常采用由很薄的硅钢片迭压而成，这样相当于切断涡流需要的回路。将变压器的初级和次级分别放入发射和接收装置构成无线充电的理论模型想象一下，将变压器的初级和次级分别放入发射装置和接收装置，这就构成了我们今天无线充电的理论模型。当然，我们接下来要做的就是去掉变压器中的铁芯。缺乏有效的磁通回路带来了效率的急剧下降是无线供电技术发展的最大阻碍去掉铁芯的过程很容易，但实际上会带来很多问题。这些问题就是阻碍无线充电技术普及的最大障碍。由于没有类似铁芯方式提供有效的磁通回路，因此初级线圈的磁场在空间上是发散的，这样如果需要将初级线圈的磁场耦合到次级就需要拉近它们的距离，同时要保持线圈对齐，这样才能获得最大的磁场耦合，才能获得最大的传输效率。无线充电在早期因为效率太低，所以一直未得到普及性发展。今天，得益于材料和技术标准的逐步成熟，无线充电可以达到70%以上的效率，这才使得在手机端的应用成为可能。无线充电技术接下来就是正题：无线充电技术无线充电四种类型1.通过电磁感应“磁耦合”进行短程传输2.将电能以电磁波非辐射性谐振“磁共振”形式传输3.“电场耦合”方式4.将电能以微波的形式无线传送无线充电技术有四种类型。今天手机端的应用基本上都是第一种类型磁耦合式，这也是目前国际标准Qi采用的方式。第二种磁共振式有更大的位置容差性，同时可以应用于大功率设备如电动汽车，因为电动汽车底盘和地面有一定高度，磁共振传输的距离比磁耦合远。但目前磁共振的效率还不高，且体积不能满足手机等小型设备需求，所以不是手机端采用的技术。第三种电场耦合式，现在被日本村田制作所掌握，但仍处于理论研究阶段，而且电场耦合时提供的耦合电压超过上千伏特，不适合手机产品。第四种微波方式是最理想的方式，就像wifi一样只要处在它的范围都可以上网一样。目前Intel在做此研究，效率实在太低，目前没用应用价值。无线供电方式示意图简要说明电磁感应(电磁耦合)利用两个平行排列的线圈间因电磁感应而产生感应电流的原理来供电的方式磁共振其原理与电磁感应方式相同。利用磁共振现象进行的非接触供电方式。电场耦合将两个平面电极平行排列，利用电场耦合原理来供电的方式。微波传输将天线接收到的电波信号转换成电能的方式电动牙刷是最早见于市面的无线充电产品。早期无线充电产品1.全身水洗2.小功率3.发热可控4.紧耦合虽然当时的无线充电技术效率很低。但对于电动牙刷这种功率很小，对充电速度要求不高的产品，且出于防水的需求，所以它成为最早期应用无线充电的产品。电动牙刷本身没有太复杂的电路构造，同时也不会有太多金属部件，因此对涡流效应产生的热耗散也是可控的，不用太多的考虑发热问题。本身效率不高也不会有太多发热。手机端无线充电面临的挑战1.电磁之间的转换效率2.更紧的磁耦合3.磁干扰4.热效应5.位置的纠正6.负载调节但是无线充电应用在手机这种复杂的电子产品上，就面临很多挑战。首要挑战就是效率，手机充电必须要快，要达到用户能接受的充电速度，这就要提高充电效率。磁耦合方式要提高充电效率就要尽可能的使充电板和手机贴近距离，同时要使线圈对齐。另外要控制发热，减少因金属物体的涡流效应产生的热，这就需要充电板具备异物侦测功能，同时在线圈的背面需要加上磁屏蔽层，以阻挡磁场穿透线圈后辐射到电池或手机内部其他金属部件。电池电芯和金属部件都会因为涡流效应产生大量热，特别对电池，这很危险。线圈的绕制垂直获得更好的辐射高度水平获得更宽的辐射范围更紧的磁耦合◆更好的频率特性◆更贴近的距离◆距离小于线圈的直径可以获得更高的效率磁屏蔽◆高导磁材料◆大于线圈面积近年来，无线充电技术能应用于手机端其中一个重要因素是电磁屏蔽材料取得一定突破，新的无机复合材料推出能够更好的屏蔽漏磁对手机内部精密电子元器件和电池带来的EMI危害和热效应。异物◆安全考量的重点：异物◆协议◆磁感应FOD异物侦测也是无线充电技术应用于手机端的一大挑战。日常生活中的钥匙，硬币等金属物件放置过近会导致大量的发热和效率损失，对产品危害很大。异物侦测技术可以通过协议方式进行控制：当受电端能够响应供电端的通讯时序时认为是有效设备，否则认为是异物。当发现是异物时，供电端关闭输出。对齐位置◆用户体验◆研究重点◆更松的磁耦合，更低的效率，更多的EMI电磁感应式无线充电对位置特性要求很严格，未对齐的位置带来极低的充电效率。所以，如何使供电端与受电端位置对齐也是很多厂家投入的重点。磁吸附对位◆成本低多线圈堆叠◆更好的容差性◆成本高多线圈堆迭能获得更好的位置容错性。当受电端放置在不同位置时，供电端开启最近的线圈对其进行充电。同时，这种供电端能够支持多设备的同时充电。伺服系统◆复杂◆体验最好◆成本高伺服系统提供可移动的供电侧线圈主动对齐受电设备。选择标准◆设计参考◆测试方法◆行业标准◆协议◆市场兼容性无线供电方式行业组织电磁感应(电磁耦合)WPC：Qi磁共振A4WP：WiPower电场耦合日本村田制作所微波传输IntelWPCQi目前手机端主流的充电标准就是WPC组织发布的Qi标准，最新的已到V1.2版本。Qi为我们带来了一整套设计方案和测试方法，协议和认证。发展历程◆WPC成立于2008年，发布了第一版QiV1.0V1.0定义为5W，电磁耦合式◆2013年发布V1.1.2引入异物侦测，控制温度异常状况◆2015年更新为V1.2兼容V1.015W，扩展共振模式，最大垂直距离可达45mm加强了FOD：谈判，相位校准时序改进◆WPC计划在2016年强制执行V1.2标准协议无线充电WPC通信序列：1)将手机放在充电板上。2)充电板根据发送测线圈的负载变化探测到有物体放在了充电板上。3)充电板应用电力信号到初级线圈上作为ping消息，并等待超时，如果超时就说明是异物放置在了充电板上，这时充电板撤销电力供应，这个过程也叫FOD，即异物检测；如果没有超时，就进入下一步。4)手机检测到了次级线圈感应的电压信号，就发送SignalStrength消息(主要内容是初级线圈和次级线圈的耦合程度，也就是放的位置正不正)。5)充电板检测到SignalStrength消息，取消超时，进入ID&Configuration阶段等待手机发送这两种消息。6)手机发送ID消息(包括VID和产品序列号)，发送Configuration消息(主要是整流电路需要输出的最大功率)。7)充电板根据接受的Configuration消息调整初级线圈相应的参数，并调整初级线圈震荡频率开始发送正常电力。8)在充电过程中充电板还接受手机发送的ChargeStatus和ControlError等消息，譬如手机的电池充满了，手机发送充电完成消息，充电板接收到消息就停止充电。负载调节USB适配器只要是USB接口都能适配。无线充电不同，感应电压是不同的，必须要跟设备做适配。Qi负载匹配过程iPhone的标准iPhone用什么标准？电磁感应体系的Qi标准，固然拥有很高的能源效率，但使用不便是它的致命伤。基于磁共振的WiPower技术以其灵活的使用方式、可靠的效率以及大功率支持等方式，有望获得更广泛的支持。而英特尔的微波共振技术，尽管效率最低、但使用上最为方便。芯片方案介绍NewiPhone芯片方案介绍WPC标准从标准本身来讲WPC是国际组织Qi在市场上初具规模新产品不用随机配带充电底座(不能将新技术的成本强加给消费者，有胁迫感)QiV1.2已经兼容共振模式获得更好的距离时间点上来讲市场方向已经明朗Qi不冷不热的时候添上一把火人们会认为Qi普及是Apple的功劳，Apple又取得市场领导性地位早了市场不明朗，晚了有跟风嫌疑自有标准乔布斯那套行不通，追求完美，早期的标准缺陷iPhone就一个系列，选择必须谨慎，不然容易导致自己被孤立明年开始无线充成为手机标配，非iPhone全部统一战线，只有iPhone站线外市场份额萎缩将很危险，别人都用筷子吃饭就你用叉子买个充电茶几，只有iPhone不能用，你是丢茶几还是iPhone？新品发售要么配底座要么官网另购，消费者会有胁迫感，不利于技术推广从产品策略的角度思考，而不是技术的角度具体的芯片方案介绍bq5102x5W(WPC)单芯片无线电源接收器asdfadfasdf任何一种给人们带来方便的技术，总是会受到大众的欢迎，无线充电技术的到来，让智能手机摆脱了最后一条线缆的羁绊，我们能预见到无线充电将会成为主流的应用方式，传统的充电线缆则会成为必要的补充。