充電電纜和電源線一直被人們認(rèn)為比較麻煩，而且是業(yè)界可以很容易消除的東西。那么，為什么不讓每個消費(fèi)類設(shè)備都進(jìn)行無線充電呢？現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行這項工作。許多最新的智能手機(jī)都帶有無線充電功能，各種新車型可以為這些消費(fèi)產(chǎn)品充電。世界各地的咖啡店已經(jīng)測試了這項技術(shù)，并且有許多種評估平臺，適用于各種不同的無線充電系統(tǒng)。

　　基于這一切，那究竟是什么阻礙了無線充電的廣泛使用？主要挑戰(zhàn)是標(biāo)準(zhǔn)之間的競爭。無線功率聯(lián)盟（WPC）的Qi規(guī)范和AirFuel Alliance擁有的各種規(guī)范多年來一直在就不同技術(shù)爭論不休，使設(shè)備制造商難以確信消費(fèi)者可以輕松地為智能手機(jī)、智能手表、平板電腦或筆記本電腦等進(jìn)行隨時隨地的充電。

　　當(dāng)然其中也存在一些工程挑戰(zhàn)。Qi系統(tǒng)要求發(fā)射器和接收器上的充電線圈相距幾毫米，并且需要相當(dāng)好地對準(zhǔn)，以獲得最快速的充電。當(dāng)消費(fèi)者將手機(jī)放在桌子上進(jìn)行無線充電時，上述要求的情況不會發(fā)生。

　　被充電設(shè)備和下面的充電器也必須能夠進(jìn)行通信，并且有許多不同的方式可以實(shí)現(xiàn)。從感應(yīng)式和電容式充電到磁共振充電，其中也涉及多種基本技術(shù)，每項技術(shù)都有其特定的工程利弊。同時，用戶還希望能夠更快速充電，意味著需要更高的功率，但這可能會會給無線充電架構(gòu)帶來安全問題，因為如果有金屬物品在場，會受到加熱并造成傷害。非常重要且不能忘記的是，除了所有這些考慮因素外，設(shè)備制造商還希望獲得最低的總體成本。

　　WPC介紹

　　WPC成立于2008年，是一個開放和協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)小組，由來自全球的600多家成員公司組成（但應(yīng)該指出，許多公司都參與了無線充電領(lǐng)域的競爭標(biāo)準(zhǔn)組織）。成立不久之后，它推出了Qi標(biāo)準(zhǔn)，這是面向智能手機(jī)和其他便攜式移動設(shè)備的最完善無線充電技術(shù)，功率為5W至15W。然而在某種程度上，這也已經(jīng)抑制了標(biāo)準(zhǔn)，因為任何創(chuàng)新必須向后兼容十年前設(shè)計的系統(tǒng)。

　　Qi采用的是低頻緊密耦合型感應(yīng)充電機(jī)制，這是一種成本最低的方法。然而，WPC還擴(kuò)展了無線廚房標(biāo)準(zhǔn)，用于家用電器（覆蓋200W至2.2kW）和中等功率標(biāo)準(zhǔn)，用于電動工具、機(jī)器人吸塵器、電動自行車和其他電池供電設(shè)備（30W至65W）充電。這兩種標(biāo)準(zhǔn)仍處于開發(fā)階段，并通過使用不同的技術(shù)來避免向后兼容的挑戰(zhàn)。

　　圖1：德州儀器（Texas Instruments）用于無線充電的BQ51222單芯片接收器。

　　Qi標(biāo)準(zhǔn)使用低頻（112kHz至250kHz）、低數(shù)據(jù)速率帶內(nèi)通信。這將充電器與設(shè)備間隔限制在3mm至5mm范圍，并且對放置靈活性有明顯影響。利用帶內(nèi)通信，正在發(fā)送的數(shù)據(jù)通常與無線功率傳輸共存。這其中的麻煩是，從接收器到發(fā)射器為單向通信，沒有從發(fā)射器到接收器的反饋，并且僅在單個接收器與單個發(fā)射器相關(guān)聯(lián)時才起作用。通過使用多個單獨(dú)的線圈或陣列和不同的通信協(xié)議，可以解決這個問題，但是這些都存在向后兼容性問題，以及較高的成本。目前已經(jīng)有許多單片Qi控制器量產(chǎn)，其中包括來自德州儀器和恩智浦（NXP）等供應(yīng)商的產(chǎn)品，它們有助于降低簡單無線連接的成本。

　　圖2：恩智浦半導(dǎo)體的NXQ1TXH5 Qi無線充電發(fā)射器。

　　AirFuel聯(lián)盟

　　2015年，Alliance for Wireless Power （A4WP）和Power Matters Alliance （PMA）合并創(chuàng)建了AirFuel聯(lián)盟（AirFuel Alliance），成功整合了兩項競爭技術(shù) - 即電容和諧振充電技術(shù)。從而降低了無線充電領(lǐng)域的技術(shù)碎片化。AirFuel采用松散耦合方式，以及較高的6.78MHz頻率，另外線圈之間采用反向散射（backscatter）通信。這種組合允許多個設(shè)備同時依靠單個發(fā)射線圈充電，具有靈活的方向，并且最大支持5cm的距離，比Qi標(biāo)準(zhǔn)明顯改善。

　　利用反向散射通信方式，發(fā)射器能夠確定發(fā)射線圈內(nèi)的負(fù)載變化，這些變化是由接收線圈上負(fù)載的變化而引起。通過在接收器線圈上的負(fù)載調(diào)制中編碼數(shù)據(jù)，接收器能夠?qū)?a target="_blank">信號傳遞到發(fā)射器。然后，發(fā)射器可以使用解調(diào)器來訪問接收器提供的數(shù)據(jù)。更遠(yuǎn)的距離、更容易的放置和反向散射通信允許發(fā)射器線圈嵌入在家具的表面下方，從而使得用戶的無線充電更簡單，并且使得服務(wù)提供商也能夠更平滑地集成無線充電技術(shù)。松散耦合方法還允許使用更高的功率（超過50W）進(jìn)行快速充電，但實(shí)現(xiàn)起來比緊密耦合拓?fù)浼軜?gòu)更復(fù)雜。

　　AirFuel的磁共振工作委員會（MRWC）開發(fā)并維護(hù)基于磁共振的無線功率傳輸技術(shù)的規(guī)范。該委員會的職責(zé)范圍包括為基于諧振和多模系統(tǒng)創(chuàng)建一致性測試規(guī)范和互操作性測試場景。與此同時，非耦合工作委員會（UWC）開發(fā)并維護(hù)基于RF等非磁性技術(shù)的無線功率和充電技術(shù)規(guī)范，以及超長距離傳輸功率的超聲波和激光器。

　　AirFuel標(biāo)準(zhǔn)的一個關(guān)鍵部分是帶外通信，這使得能夠在無線功率發(fā)射器與其伴隨的接收器之間建立（然后保持）穩(wěn)定的通信。補(bǔ)充信息可以在相應(yīng)的發(fā)送器和接收器元件之間傳輸，其中可能包括與設(shè)備充電能力相關(guān)的信息（以便可以使用最快的充電速率），以及認(rèn)證等等。由于外部頻帶通信方案獨(dú)立于功率傳輸，因而這些都可以實(shí)施，可以使用從藍(lán)牙低功耗（BLE）到Zigbee等各種RF通信協(xié)議。AirFuel建議使用BLE（2.4GHz），因為它對于特定發(fā)射器可以同時容納多個接收器。它還支持具有多種功率級別需求的設(shè)備，以及更大的空間自由度和距離、身份驗證安全性、低功耗以及用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）下一代設(shè)備的許多其他用戶友好功能。

　　然而，WPC并沒有對于AirFuel的行動而無動于衷。最新的Qi發(fā)射器規(guī)格MP-A16現(xiàn)在可以支持整個表面的充電。這意味著幾乎任何表面都可以成為無線充電器，并且可以更容易地在現(xiàn)有的桌子、柜臺和其他位置下更換硬件。通常充電器由安裝在表面下方的發(fā)射器線圈和安裝在頂部的中繼器線圈以及與接收器的接口等組成。通過使用中繼器可以將發(fā)射器線圈產(chǎn)生的磁通量引導(dǎo)至接收器，可以實(shí)現(xiàn)在10mm至30mm厚的表面下進(jìn)行安裝。

　　MP-A16發(fā)射器完全兼容WPC已經(jīng)部署的接收器設(shè)備，包括基線功率分布（BPP）和擴(kuò)展功率分布（EPP），最高可達(dá)15W。關(guān)鍵是所有現(xiàn)有的Qi設(shè)備都能夠使用部署MP-A16發(fā)射器的充電表面。

　　WPC之前在充電網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方面的經(jīng)驗表明，在表面鉆孔一直是擴(kuò)展公共充電基礎(chǔ)設(shè)施的巨大障礙，場地業(yè)主一直不愿意進(jìn)行這種不可逆、不方便和混亂的程序?；贛P-A16的新發(fā)射器將克服這個障礙，通過將發(fā)射器安裝在桌子下方，并在頂部放置中繼器，可以完成無線充電器的無痛安裝。

　　WPC也在進(jìn)行室外充電部署。室外無線充電特別具有挑戰(zhàn)性，因為系統(tǒng)必須能夠忍受一年四季之間的環(huán)境條件大幅波動，其中包括從極熱到極冷、明亮的陽光和暴雨、冰雹、大雪等等。室外無線充電不再局限于5V供電，還必須包括12V或24V。防水密封技術(shù)能夠確保水分永遠(yuǎn)不會侵入充電器，從而保持充電和被充電設(shè)備的正常運(yùn)行，當(dāng)然最重要的是保護(hù)用戶安全，這些都非常必要。

　　無線充電設(shè)備的室外部署已經(jīng)在世界某些地區(qū)開始，例如在捷克共和國，一個表面安裝的Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電器已經(jīng)集成到公園的太陽能長椅上。隨著越來越多的消費(fèi)者用配備Qi標(biāo)準(zhǔn)無線充電功能的新手機(jī)替換舊款手機(jī)，WPC預(yù)計此類部署的速度將會加快。

　　現(xiàn)在市場中有幾種令人信服的技術(shù)可供無線充電系統(tǒng)開發(fā)人員選擇。然而，到目前為止，一些芯片制造商還是設(shè)法開發(fā)能夠滿足所有不同協(xié)議的器件。例如，Semtech的TS80000是一款能夠滿足功率輸出高達(dá)40W的發(fā)射器，并支持Qi、AirFuel和某些專有協(xié)議。它可以配置為驅(qū)動單線圈或多線圈應(yīng)用（半橋和全橋系統(tǒng)），從次級側(cè)設(shè)備解碼數(shù)據(jù)包，并相應(yīng)地調(diào)整控制。集成的PID濾波器為環(huán)路提供必要的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)對于占空比、頻率和/或橋電壓的高精度控制。

　　根據(jù)我們觀察，WPC和AirFuel這兩個標(biāo)準(zhǔn)組并沒有表現(xiàn)相向而行的跡象。兩個組織都在制定非常相似的標(biāo)準(zhǔn)，但出于不同的考慮。然而，半導(dǎo)體制造商需要能夠?qū)_他們的賭注。因此，通過可編程芯片解決方案將不同的協(xié)議整合在一起，能夠為系統(tǒng)開發(fā)人員提供了最高的靈活性。
作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick