淺析小功率無線電源技術

來源：互聯網  作者：秩名2013年05月20日 10:37

1

分享

微信QQ空間新浪微博騰訊微博人人網

訂閱

[導讀] 在現實生活中，每個電子產品都有一個與之匹配的充電器，每年全球設計、生產、使用、制造、運輸乃至回收數以十億計算的電源適配器引發了一系列的問題，既增加產品的成本，又浪費資源、不利于環保，給使用者帶來了相當大的困惑。具有統一標準的無線電源技術能夠方便地解決這一系列的問題。

關鍵詞：無線電源電源設計

　　0 引言

　　隨著科學技術的發展，各種便攜式電子產品越來越多，現代的無線技術使它們變得越來越輕便，越來越容易聯網，似乎把數字時代迅速地發展到了無線時代，然而電源線妨礙了我們進入這個無線時代。

　　在現實生活中，每個電子產品都有一個與之匹配的充電器，每年全球設計、生產、使用、制造、運輸乃至回收數以十億計算的電源適配器引發了一系列的問題，既增加產品的成本，又浪費資源、不利于環保，給使用者帶來了相當大的困惑。具有統一標準的無線電源技術能夠方便地解決這一系列的問題。

　　1 無線電源技術現狀

　　無線電源技術是一種利用無線電技術傳輸電力能量的新技術，電能可以無接觸地傳輸給負載。早在20 世紀70 年代美國就有相當多的人在研究這個問題了，但國內研究的人極少。2008 年12 月17 日，由Convenient Power Limited、Fulton Innovation LLC、Logitech SA、國家半導體、奧林巴斯、飛利浦、三洋、桑菲電子和德州儀器等公司成立了全球首個推動無線充電技術標準化的無線電源聯盟（Wireless PowerConsortium，簡稱WPC），之后三星和諾基亞也加入到這個聯盟。2009 年1 月，全球無線電源聯盟首次會議在香港科學園召開，并啟動了提高電子產品充電便利性的最新全球計劃。2010 年7 月23 日，該聯盟制定了Qi 標準，確定了低功率（不超過5W）技術規范，定義了界面規范、測試程序以及最低性能，2010 年8 月14 日認證了第一批產品。2010 年8 月31 日，WPC 將Qi 標準正式引入中國，并開始了在國內的推廣，之后WPC 陸續在香港和歐美多個城市，舉辦了標準發布活動。目前Qi 標準已被WPC的126 家行業領先成員公司支持并采用，其中有30%是中國公司，包括海爾、華為和桑菲通信等。

　　2 無線電源技術原理

　　無線電源技術是一種利用無線電傳輸電力能量的技術，它要求傳輸效率盡可能高，傳輸功率盡可能大，這樣才能滿足對電力的需求。其研究應用領域涉及廣泛，傳輸功率相差較大，小到用于生物移植的幾十毫瓦、小型設備幾十瓦功率，大到電動汽車或運動機器人的上千瓦功率以及磁懸浮列車應用的上兆瓦功率。目前存在三種解決技術：電磁感應技術、無線電波技術和電磁共振技術。

　　2.1 電磁感應技術

　　此技術類似電力系統中常用的變壓器技術。在變壓器的原邊通入交變電流，副邊由于電磁感應原理會產生感應電動勢，若副邊電路連通，即可出現感應電流，其方向遵從楞次定律，大小可由麥克斯韋電磁理論解出。相對于無線電源而言，變壓器的原邊相當于電源發射線圈，副邊相當于電源接收線圈，這樣就可以實現電能從發射線圈到接收線圈的無線傳輸。這種非接觸式無線電力傳輸方式制造成本較低、結構簡單、技術可靠、傳輸功率可從幾瓦到幾百瓦。

　　但是傳送距離小于1cm，被充電產品必須置于充電器附近，充電器必須具備對被充電產品進行辨識的能力，否則會向附近任意金屬傳輸能量，導致其發熱并產生危險。

　　2.2 電磁共振技術

　　這種技術基于電磁共振耦合原理，需要的發射和接收兩個共振系統可分別由感應線圈制成。通過調整發射頻率使發射端以某一高頻率振動，其產生的不是彌漫于各處的普通電磁波，在兩個線圈間形成一種能量通道。接收端的固有頻率與發射端頻率相同，因而發生了共振。隨著每一次共振，接收端感應器中會有更多的電壓產生。經過多次共振，感應器表面就會集聚足夠的能量，這樣接收端在此非輻射磁場中接收能量，從而完成了磁能到電能的轉換，實現了電能的無線傳輸。這種非接觸式無線電力傳輸方式傳輸功率可達幾千瓦、傳送距離可達3~4 米，但是必須對所需頻率進行保護，在幾米范圍內進行傳輸需要幾MHz 到幾百MHz 的頻率。

　　2.3 無線電波技術

　　這種技術是利用微波或激光形式來實現電能的遠程傳輸，系統由電磁波發生器、發射天線、接收天線、高頻電磁波整流器、變電設備和有線電網組成。

　　電磁波發生器是微波源或激光器，把電源傳送的電能轉變為大功率、高頻的電磁波，饋送給發射天線；發射天線將電磁波發送出去；接收天線收集電磁波的能量并輸入高頻電磁波整流器，產生的高壓直流電經逆變后送入有線電網。這種非接觸式無線電力傳輸方式傳送距離可達10m，但是傳輸功率小（最高100mW）、功效低，發射器無線電波發送的大量功率以無線電波的方式被浪費掉。

　　3 目前小功率無線電源技術解決方案

　　3.1 TI 公司無線電源技術解決方案

　　2011 年德州儀器（TI）推出業界首款符合Qi 標準的5V 無線電源解決方案，可保證與其他滿足Qi標準器件的互操作性。該方案是由無線電源發送器（bq500210/bq500110，bq500210 的數字解調信號處理技術與bq500110 模擬解調電路系統相比，可大幅減少總體系統組件） 和無線電源接收器（bq51013/bq51011） 兩部分組成。此器件不但提供AC/DC 電源轉換，同時還集成符合Qi 通信協議標準所需的數字控制功能。bq5101x 接收器與bq500x10 發送器控制器相結合，可為無線電源解決方案實現完整的非接觸式電源傳輸系統。嵌入在便攜式設備中的接收器線圈采用近場感應電源傳輸，可通過相互耦合的電感器接受發送器發送的電源，可支持高達5W 的應用。bq5101x 接收器集成了一個低阻抗完全同步整流器、低壓降穩壓器、數字控制和精確電壓與電流環路，整個功率級均采用低電阻NMOSFET 技術確保高效率與低功耗。TI 無線電源系統框架如圖一所示。

　　3.2 IDT 公司無線電源技術解決方案

　　2012 年，IDT （Integrated Device Technology）公司推出全球首個真正的單芯片無線電源發送器和業界最高輸出功率的單芯片接收器解決方案。與現有解決方案相比，IDT 的高集成多模式發送器可減少80%的板面積和50%的解決方案材料清單成本。更多功能的多模式接收器輸出功率為通常使用解決方案的兩倍，可將充電時間縮減一半。IDTP9030 和IDTP9020 提供了無線電源發送器和接收器解決方案，專為滿足無線充電聯盟的Qi 標準而設計，可保證與其他滿足Qi 標準器件的互操作性。發送器和接收器均能夠進行“多模式”操作，可支持Qi 標準和專用格式，以增加功能、改進安全和提高功率輸出能力。內置的協議檢測可實現Qi 與專用模式間的動態轉換，從而實現平穩過渡和可靠的用戶體驗。這些器件可用于大量移動應用，以進行便利和輕松的電池充電。IDTP9030 是如今集成度最高的無線電源發送器。它將大量分立元件的特征和功能結合成一個簡單、具有成本效益且高效的解決方案。集成最大程度地將應用面積和元件數量降至最低，讓客戶可以設計和部署更多緊湊的、具有成本效益和交通便利的無線充電站。IDTP9020 是一個高效率的單芯片無線電源接收器。在Qi 模式時，該器件為系統傳遞高達5W 的功率。當與IDTP9030 發送器在專用配置使用時，它可傳遞高達7.5W 的功率，讓器件適用于強大的移動器件。IDTP9020 和IDTP9030 還擁有專利的多層次異物檢測（FOD），利用精密的多參數算法以保證高水平的安全，同時避免FOD 誤報。IDT 的解決方案擁有過溫、過壓和過流保護，可提供市場上最全面的保護功能，從而保證安全和可靠的操作。此外，當不能使用無線充電站時，接收器還可支持USB電纜充電，在移動設備中不再需要USB 適配器轉換器。TI 無線電源系統框架如圖二所示。

　　4 小功率無線電源技術發展前景

　　無線電源系統是采用無線充電技術充電的系統，與傳統的相比有以下優點：（1）形成一個便攜式消費電子產品充電的通用平臺；（2）減少了生產和制造包裝傳統充電器的資源能量消耗以及運輸這些傳統充電器的交通運輸的能量消耗；（3）減少了大量的廢棄的、有毒的、不能生物分解的充電器形成的電子垃圾；（4）減少處理、清潔這些廢棄的傳統的充電器形成的電子垃圾的人力、資源和能量的消耗。

　　小功率無線電源傳輸的需求前景非常明朗，Qi標準已開始得到廣泛采用，無線電源充電技術正在向著成為主流技術的方向前進，該技術將會無處不在。據無線充電聯盟內部統計，未來幾年中無線充電技術將在手提電話、PMP/MP3 播放器、數字照相機、筆記本電腦等產品領域得到快速應用。2013 年全球無線充電潛在市場容量接近140 億美元，到2014 年無線電源充電解決方案市場將增長70 倍，接收器的出貨量將達到2.4 億臺。支持無線充電功能的設備將由2012 年的500 萬部增至2015 年的1億部以上。根據研究公司Pike 的報告，到2020 年，整個無線充電行業的產值將比2012 年翻三番，達150 億美元。

　　5 結束語

　　無線電源技術真正的商業化于我們的生活才剛剛開始，具有巨大的市場潛力。到目前為止，盡管很多知名的大公司已經成立了無線電源聯盟，但是無線電源作為一種相當新的技術，它必將引起消費者對安全問題的擔憂。一般而言，電磁輻射和安全性將成為最重要的問題。因此，該技術必須消除與最終用戶安全性有關的所有疑問，圍繞無線電源技術建立一個良好運轉的生態系統，促使該技術成為主流。

分享到：微信QQ空間新浪微博騰訊微博

1 收藏(0) 打印

免費訂閱 ElecFans 信息速遞，掌握即時科技產業動態與最新技術方案