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功率技術/新能源  

深入理解無線充電原理

上網時間: 2012年12月13日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線充電  麥克斯韋定律  磁場感測  電場感測  EMI 

作者:Markus Huschens

新業務研究經理

村田電子歐洲公司

隨著可攜式媒體播放器、智慧手機和平板電腦等電池供電的消費性電子設備的不斷普及,導致家?到處充斥著大量不同的充電器和成捆的纜線。以無線方式給設備充電的概念即沒有任何直連線的連接已經推出一段時間了,現在正迅速提起人們的興趣,使之更加靈活和更加有用。不過目前有哪些不同的技術、工程師需要應付的設計挑戰又有哪些呢?

由於無需使用充纜纜線,給消費設備進行無線充電有許多吸引人的地方。也許應該說得更明白點,無線充電的目的是透過不同於有線或連接器等的創新方式提供給設備電池充電的新途徑。

無線充電方式在諸如電動牙刷等許多消費設備中已經非常流行,其中最主要的一種方法是基於麥克斯韋定律的感測方法,即來自某個線圈的磁場變化會在另外一個與之耦合的線圈中產生電流。雖然使用磁場的感測方法適合類似上述這樣的許多小設備,但在平板電腦和智慧手機等更加現代的消費電子設備中使用這種方法面臨著諸多工程設計挑戰。

隨著饋送給電池的功率的增加,相對效率或擺放耦合線圈的靈活性要求也會提高。這種感測方法的主要考慮因素是如何控制產生或‘發送’能量並使用感測磁場傳送給‘接收’設備的訊號所產生的電磁干擾(EMI)。接收設備隨後將磁場能量轉換為電能再給電池充電。Wi-Fi、藍牙、近場通訊(NFC)、蜂巢式系統和調頻廣播是眾多無線語音和數據連接方法中的一些例子,它們可能都會受到這種電磁場的干擾。

當然,另外一個考慮因素是使功率傳輸效率盡可能高,即使在更高功率電平和更寬擺放誤差等挑戰約束條件下。在過去幾年中,業界對於如何實現感測充電技術提出了許多新的想法,但規避EMI影響的進展不像期望的那樣順利,因為達到EMI相容需要付出艱巨的努力。

最近這方面的挑戰得到了進一步發展,這得感謝無線充電聯盟(WPC)的不懈努力。WPC是美國消費電子(CEA)組織的一項行動計劃,目的是鼓勵進一步研究開發,使無線充電更加引人注目,因而得到更大消費群體的青睞。

感測方法的另外一個眾所周知的約束條件是需要精確地配對充電器和被充設備,這可以用電動牙刷例子來很好地描述。充電器基板上有一個小塔,從放置待充電牙刷的基板上升出來。使用這種方法可以使兩個線圈完美匹配,以確保磁能的傳輸。任何稍微的不對齊都會完全丟失功率傳輸能力。在使用諸如智慧手機或平板電腦等要求稍大功率電平的其它設備時,這種使用方法顯然很不方便。最後,存在如何解決電熱損失的問題。充電器功率越高,熱量損失越大。這對溫度高度感測的鋰離子電池來說更是個問題,很可能會在今天外形高度緊密的消費電子設計中產生元件應力。

使用電容器架構是可以代替磁場無線充電的另外一種無線充電方法,這種方法的原理類似於電場的麥克斯韋定律。這種概念已經被村田公司採納,並被廣泛導入新的設計。該公司的做法是使用準靜電電場並透過電容器傳輸能量,這種電容器則是由屬於實體上分開的元件的兩個電極組成。將這兩個元件彼此靠近就能形成一個電容器陣列,並用來傳輸能量。圖1a顯示了這種方法的基本原理。


圖1a:無線功率傳輸中發送器-接收器對原理。


圖1b:圖1a所示發送器-接收器對的等效電路。

使用兩組電極或極板就可以透過靜電感測實現能量的傳輸。充電器或‘發送器’和可攜式設備或‘接收器’用來有效地在組成電容器的合適尺寸金屬表面間實現縱向的準靜電耦合。其中驅動電極或主動電極要比另外一個電極小,上面施加的電壓較高,另外一個電極則是被動電極,尺寸較長,上面的電壓較低。當然正常情況下,電容器傳輸的能量是很小的,這與電極面積小有很大的關係。因此,為了滿足給消費設備充電所需的功率水準(例如從5W至25W),需要增加電極尺寸和耦合的電壓值,具體取決於實際的配置。

圖2a顯示了採用電容器傳輸能量的充電器方法例子架構圖,其中使用的接收器和發送器模組是村田公司最近開發出的新產品。這種模組化方法允許工程師集中精力開發耦合區的電極設計,因而有助於快速開發出無線充電功能。透過靜電方法傳輸的能量大小直接正比於所使用的頻率。因此用更高的頻率驅動電極對可以使設計處理更高的功率。然而,各個國家對所使用的頻率和電場強度都有限制規定。實際上這種配置可以形成一種非常有效的天線結構,因此EMI因素通常會限制設計靈活性。為了實現耦合電極之間的無線收發、同時盡量減少對外的輻射量,需要進行正確地設計。因此需要進一步理解和確定正確的電極尺寸、它們的設計、工作電壓、功率值、最佳工作頻率和總的尺寸約束條件。一般情況下,理想的頻率範圍在200kHz至1MHz之間,有效耦合區的電壓值在800V至1.52kV之間。


圖2a:電容器傳輸充電器架構圖。

圖2b顯示,對於一個滿足EMI相容要求的10W充電器來說,發送至接收電容器耦合過程中存在電壓步升和步降現象。採用模組化架構的設計概念允許裝置製造商將模組作為黑盒子,因而方便發送器和接收器的整合。發送器設計覆蓋到電源的鏈路、無線能量傳輸的控制以及根據位置靈活性目標對任何外形的主動耦合電極的控制。在接收器側,電池介面決定了設計如何從主動耦合電極區域透過下變頻模組正確地接收功率。由於可攜式設備中使用的電池種類非常廣泛,所以電路介面的標準化設計代表著向非常方便的設計邁出了一大步,同時也要考慮到更具挑戰性的概念,比如更快的充電速度。主要得益於歐盟委員會持續施加的壓力,微型USB 5V充電介面正成為歐洲所有行動手機的標準。


圖2b:電壓步升和步降是10W充電器中發送至接收電容器耦合過程的一部份。

與感測方法相較,使用準靜電傳輸的關鍵優勢之一是,待充設備在充電基座(或充電托盤)上的位置要求不是那麼嚴格。透過x-y(表面)方向的精心設計,當接收器遠離發送源時,仍能保持高效率且曲線相對平坦的能量傳輸,對任何設計(即使是有線充電器)來說效率典型值為80%左右,因此具有非常高的位置容差性能,而z(高度)仍然是最具挑戰性的設計參數。

另外,使用扁平方形或矩形的桌面托盤或接近垂直的接續架子允許以任何方向擺放充電設備,不一定需要很精確。此外,由於主要的主動接收電極可以由簡單的薄銅箔搭建(這種銅箔的厚度在幾個微米數量級,嵌入在塑料覆蓋材料中),因此將它整合進消費設備要比整合功率感測器簡單得多。

如前所述,靠近電池的熱量傳遞對感測方法來說是一個嚴重的問題。然而,作為電容器耦合配置中能量載體的電場不會有任何較大的電流。由於沒有這種直流流動,因此耦合區不存在發熱問題:所有阻性損耗整合在模組或驅動器電路中,耦合區一點都沒有。因此裝置製造商在將微型模組整合進裝置中時具有更大的設計靈活性,同時在耦合設計、功率電平和想要達到的定位容差方面具有很大的設計自由度。

考慮到上述所有這些挑戰因素,電容器耦合式無線能量傳輸可以實現更高的功率傳輸、更大的定位靈活性,還能滿足EMC一致性要求,同時可以向製造商提供更大的設計靈活性。總的來說,電容器耦合式無線能量傳輸將大幅鼓舞製造商整合以無線方式給可攜式設備充電的功能。





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