無線充電系統(tǒng)的運作受負載變化影響。目前，移動設(shè)備為了縮短充電時間，充電過程中所需要的電流較過去有所增加。對于較大的設(shè)備(例如平板電腦)，Qi規(guī)格的5W功率已不夠使用。因此，市場發(fā)展的重點將著眼于實現(xiàn)更大功率。另外，受電設(shè)備本身大多并非穩(wěn)定地抽取電流(動態(tài)負載)。系統(tǒng)需要依據(jù)負載變化，自動調(diào)整、修正系統(tǒng)的操作組態(tài)。
無線充電簡單來看是不經(jīng)過導(dǎo)電線來傳遞電能，由供電設(shè)備傳遞到充電設(shè)備，但實際操作上卻有相當(dāng)多的技術(shù)挑戰(zhàn)。富達通科技公司總經(jīng)理蔡明球介紹，無線充電的技術(shù)手段有很多，但目前唯一可以量產(chǎn)且通過相關(guān)的電磁檢驗法規(guī)的技術(shù)只有利用線圈的電磁感應(yīng)式方法。
然而，這種方式的有效感應(yīng)距離相當(dāng)短，有效的感應(yīng)距離約只有圓型線圈半徑的一半以下，超過這個距離后就效率就會很差。目前推廣中的Qi標(biāo)準(zhǔn)其線圈半徑約20mm，有效距離就在10mm以下。在推廣時，這樣短的有效距離常被當(dāng)作缺點進行批判，但也因為在這樣短的距離下，運作時不會有太多的電磁能量散逸，所以相關(guān)的電磁檢驗也較容易通過。電磁感應(yīng)式操作頻率也較低，約在100kHz頻段，整體生產(chǎn)成本也可以容易地降低到被接受的范圍。這種技術(shù)在接下來的幾年將被大量采用。
另一種技術(shù)為磁共振，也是利用線圈來傳送電力。不同的是，磁共振的發(fā)射與接收線圈中間會加入由線圈與電容串接組成的共振腔，用來放大能量。磁共振的頻率約在10MHz頻段。這樣的頻率下在驅(qū)動、整流組件選用上都相當(dāng)困難，因此在成本上將難以降低。另外，由于頻率較高，要通過電磁檢驗法規(guī)也較為麻煩，以目前的技術(shù)狀況看來，磁共振的系統(tǒng)短期內(nèi)無法大量生產(chǎn)銷售。因此，當(dāng)用于量產(chǎn)時，電磁感應(yīng)式方法要求更高的效率與功率、更可靠的安全機制。當(dāng)成本控制在市場接受的范圍內(nèi)時，無線充電就會得到普及。
深圳市威特爾科技有限公司技術(shù)總監(jiān)趙志斌認(rèn)為，未來無線充電技術(shù)有可能覆蓋整個微功率用電器范圍，全面采用無線充電技術(shù)加二次電池的產(chǎn)品供電方案將取代當(dāng)前采用干電池設(shè)計的產(chǎn)品供電方案。這是在現(xiàn)有技術(shù)條件下可以預(yù)見到的最大市場，它也最能夠?qū)崿F(xiàn)綠色環(huán)保效益。在大功率應(yīng)用方向上，如果超導(dǎo)材料取得了極大進步，能夠在常溫或者零下幾十度的溫度上實現(xiàn)超導(dǎo)，那么大功率無線充電也會得到很大的市場，例如在電動汽車充電方向上。由于超導(dǎo)的發(fā)展更多地取決于超導(dǎo)材料技術(shù)的研究進展，所以目前來看，還是應(yīng)該著眼于微功率應(yīng)用方向才比較實際。
為了達到調(diào)整系統(tǒng)操作組態(tài)的功能和控制輸出電力的輸出端(Tx)，需要知道接收端(Rx)的狀態(tài)。蔡明球指出，由于Tx與Rx間并沒有實體導(dǎo)線連接，狀態(tài)傳遞需要通過無線通信。在無線充電器上建立通信(WiFi、藍牙等)的成本太高，因此，通過Tx上的供電線圈與Rx上的受電線圈在電力傳送的同時進行數(shù)據(jù)交換才是量產(chǎn)的作法。Qi系統(tǒng)也是采用這種方法。所謂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的兼容性也是指數(shù)據(jù)信號內(nèi)的格式與內(nèi)容是否符合規(guī)范。實際操作上這種方式在產(chǎn)品端將會遇到非常困難的技術(shù)問題。
在線圈上的電力傳送與數(shù)據(jù)傳送會相互牽制，當(dāng)功率輸出過大或動態(tài)負載的情況下都會使數(shù)據(jù)傳送失敗。而靠數(shù)據(jù)傳遞來辨識Rx受電設(shè)備的Tx供電端失去來自Rx的數(shù)據(jù)時，應(yīng)該判為Rx已經(jīng)離開供電平臺而切斷電力輸出。在充電平板若有金屬品，電力發(fā)射將會對金屬加熱造成危險。因此，需要解決的一個問題是，如何在供電與受電線圈上穩(wěn)定傳送數(shù)據(jù)，且不受到負載狀況影響。
另外，數(shù)據(jù)傳送可以解決Tx端對Rx端的辨識與功率調(diào)節(jié)的問題，但有個盲點就是，在Tx供電線圈與Rx受電線圈之間若有小型的金屬體(金屬異物)造成部分遮蔽，依然可以傳送數(shù)據(jù)和電力�？墒�，有部分能量將會對金屬異物加熱造成危險，這部分需要另外的金屬異物檢測機制來防止這一缺失。這個部分將會難以偵測。因為系統(tǒng)內(nèi)有相當(dāng)多的因素會影響到線圈上的輸出特性，所以需要正確偵測在供電線圈上是否存在有可能造成危險的金屬異物。
他表示，富達通在投入無線充電系統(tǒng)的研發(fā)過程中，在早期就遇到這些技術(shù)挑戰(zhàn)，并開發(fā)出了以下幾個技術(shù)方案予以解決。
感應(yīng)式電源供應(yīng)器中計時同步型數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ哼@個方法在供電端與受電端之間建立一個通信系統(tǒng)，使供電端可以正確地識別來自受電端的所有傳送數(shù)據(jù)，并且排除了因為動態(tài)負載產(chǎn)生的噪聲與其它干擾的問題，達到數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳送的功能。
感應(yīng)式電源供應(yīng)器中控制同步整流開關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備：在Rx受電端上需要透過線圈反饋數(shù)據(jù)信號到Tx端進行數(shù)據(jù)解析，而電路需要同時具備良好的接收電力整流轉(zhuǎn)換效率與明確的反饋數(shù)據(jù)兩個功能。在這個技術(shù)中兼顧了這兩個方面，不論是在低電流輸出的空載還是大電流輸出下，都可以達到優(yōu)異的轉(zhuǎn)換效率和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定反饋。
感應(yīng)式電源供應(yīng)器及其金屬異物檢知方法：正確在供電線圈上識別是否有金屬異物是一項困難技術(shù)，因為在正確使用的Rx受電端放置后，也會有類似金屬異物的電性反應(yīng)。富達通發(fā)展了一個復(fù)雜算法，在Tx端電路的主控制IC上進行分析運算，可以精確地分辨出可能會加熱引起危險的金屬異物的存在，并進行相應(yīng)的保護動作。
圖1：富達通α4原型評估板。
對于未來有何新品推出，他談到，富達通在明年第一季度將會推出性能更好的α4系列產(chǎn)品(見圖)。該系列具備極寬的模塊工作電壓范圍(3.5V~24V)；在3.5V驅(qū)動下即可輸出5W到RX端；采用12V驅(qū)動時可以輸出60W功率。α4系列擁有更高的轉(zhuǎn)換效率，在一般線圈條件下平均轉(zhuǎn)換效率達80%，在最佳線圈條件下效率可達92%(這里的效率指的是由Tx端的直流驅(qū)動輸入到RX端的輸出負載的電流比例，目前市售品效率約在70%以下)。另外，它還具有精準(zhǔn)的金屬異物檢知功能和更好的安全性。
為移動設(shè)備打造無線充電組件
威特爾的產(chǎn)品具有最薄的厚度和最低的發(fā)熱，同時其成本也可以接受。趙志斌指出，目前來看，無線充電設(shè)計主要的問題在于接收組件和接收芯片都沒有很理想的產(chǎn)品可以采用。威特爾已經(jīng)在組建接收組件的生產(chǎn)線，并且開始了接收芯片的設(shè)計。
目前，威特爾已經(jīng)開發(fā)完成了iPhone 4 的無線充電護套。正在開發(fā)三星Galaxy 3的無線充電背殼、iPhone 5 無線充電護套。另外，待諾基亞820上市后，該公司也會開發(fā)相應(yīng)的無線充電背殼。威特爾還會提供一款帶有移動電源功能的充電底座，進一步方便使用者并且方便用戶連接現(xiàn)有的USB2.0充電插口。除過手機方面的無線充電應(yīng)用外，威特爾還在開發(fā)一些電子蠟燭等適合于采用無線充電技術(shù)的產(chǎn)品。 |
