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无线充电呼之欲出,突破点并非电子技术
发布时间:2012/9/2 13:05:00 来源:
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TDK最近发布了面向智能手机等移动设备的无线供电线圈组件。此次开发的接收线圈组件主要装配于智能手机,其厚度实现了行业最薄级别为0.57mm。接收线圈组件活用了TDK所擅长的磁性材料技术与工艺技术,并使用了独有的金属软磁性薄片。不仅具有线圈组件的“薄”与“轻”的特点,还确保了原有的耐冲击性,在可靠性方面具有显著优势。同时,线圈在薄的基础上还尽量控制电阻值增大,虽厚度仅为0.57mm,但传输效率仍能达到WPC标准Qi认证所需水平,满足了装配于智能手机时的薄型要求。现阶段的输出电流在0.5A~0.6A水平,今后将进一步开发厚度为0.50mm的产品,并将输出电流保持在同等以上水平,该产品力求在2013年实现量产。

 

这一产品发布在业界引起了巨大的反响,因为原来线圈的尺寸和性能一直是无线充电无法在移动产品中普及的最大因素,突破这一限制以后,无线充电进入移动设备的障碍就减少很多了。但是TDK并不寂寞,在中国也有一家本土厂商也开发出了这种超薄的接收线圈,而且尺寸可以做到更薄。

 

深圳市威特尔科技有限公司技术总监赵志斌认为针对手机等移动产品,要直接把无线充电做进电池,只增加不多的成本。以前国际上的主流的无线充电研究,都是在向着大功率和远距离的方向发展,也许20年后会取得巨大的成功,但近期内不会取得重大进展。但是这次TDK线圈的发布,证明了国际大厂也意识到移动产品对无线充电的尺寸有着严苛的要求,必须在技术上有所突破。

 

 

《电子系统设计》
图:深圳市威特尔科技有限公司开发的超薄接收线圈。

 

他同时表示,阻碍着无线充电技术应用的最核心的技术,不是电子技术。无线充电的关键技术实际上就是接收组件中的磁屏蔽物,因为用利兹线(利兹线就是多股漆包线的一个常用的称呼,来源于音译)来缠绕线圈并不是特别困难的事情,但是做出来足够薄性能足够好的磁屏蔽片,却非常困难。用于磁屏蔽的物质,无非就是一些软磁性材料,但是它们都有一些无法解决的应用障碍——导磁率高的材料,不能用于较高频率;能用于较高频率的,导磁率又不够高;另外导磁率高的材料还比较容易产生磁饱和。正是磁性材料的这些固有的性质,制约了无线充电接收组件的发展。TDK的优势恰好是在材料和工艺方面,这又一次验证了他的说法。

 

对于这次TDK发布的线圈,赵志斌这样评价:“从图片上看,明显还是用的传统的技术——利兹线缠绕的线圈,加上一个磁屏蔽片。”Qi规格的无线充电方案的工作频率是100KHz上下。在这个频率下,导体中的电流会出现趋肤效应,仅在导体的表面流过,所以只有采用多股的较细的互相绝缘的导线,才可以取得较低的实际阻抗。磁屏蔽片的作用是起到磁屏蔽的作用:一方面阻挡磁场向外散射,影响人体健康;另一方面减少无线充电接收设备,例如手机,里面的那些金属部件上的涡流效应。当无线充电发射装置发射出来的交变磁场到达手机里面的金属部件时,会产生感生电流,这个电流叫做涡流,而这个涡流产生的磁场方向跟发射出来的磁场的方向正好相反,会造成接收线圈接收电压下降,同时该涡流会造成金属部件发热,类似于电磁炉。电磁炉就是用涡流效应工作的。

针对这次发布的产品,赵志斌评价道:“相比威世最近发布的接收组件,TDK的这个组件的厚度大为减少了。但是看图片很像是用烧结铁氧体做的磁屏蔽片,TDK最擅长的也是这个。烧结铁氧体如果太薄的话,屏蔽的效果会降低,并且很难生产。刚才说到的一些问题,都是烧结铁氧体这种材料本身存在的问题,我们采用了全新的材料来制造接收组件,在性能上远远超过了TDK以及威世这些公司。比如说,TDK明年才能够投产厚度为0.5毫米的接收组件,而在我们开发的iPhone无线充电护套上,采用的接收组件的厚度仅为0.43毫米,比TDK明年才能够推出的0.5毫米厚的接收组件还要薄14%。由于我们在材料研究上取得了突破,所以我们的接收组件比类似于TDK或者威世的采用烧结铁氧体的接收组件的性能要好的多,主要表现在三个方面:更薄的厚度;更低的发热;更强的屏蔽作用。”

 

现在无线充电的技术标准也是一个热门的话题,除了最老牌的WPC,在今年五月初,高通联手三星成立了无线充电联盟A4WP(三星也是WPC成员),主推磁共振技术。有意思的是,恰恰在此之前一段时间,WPC发布最新的Qi标准1.1版,增加了对磁共振技术的支持,同时对之前的Qi 1.0版作了修改和补充。台湾富达通总经理蔡明球认为在A4WP宣布成立后,WPC的共通性标准就受到质疑,且除了A4WP外还有其他厂商有计划再成立另外的无线充电标准。所以今年起应该会有三到五年的时间会进入多家技术竞争的状况,最后会由市场决定哪一家的技术可以存活下来,而市场的销售量应该在五年内会每年呈现倍数成长。

 

针对现有市场情况和对技术路线的判断,赵志斌自己创立了一个WMPTC(微功率无线输电联盟),希望通过本土厂商对技术和需求的敏感性与国际巨头主导的两大联盟抗衡。

 

他指出,WPC的QI规格制定的时间比较早,当时的技术以及当时的手机都跟今天不同,所以从今天来看,QI规格的5V1A的输出规范已经不太适合市场的需求了。一方面有些国内的手机厂商会觉得1A的电流偏小,不能满足他们的超大容量的电池的充电需要;另外一方面大众已经普遍接受了用电脑USB给手机充电的方式,而这个方式的电流就是0.5A。实际中正在销售的手机无线充电套件,几乎都是0.5A的规格的,TDK的这个接收组件就是一个很好的例子,它并不提供1A的电流。

 

更为关键的是,WPC并没有意识到无线充电最适合使用的领域是给手机中的锂电池直接充电,这是因为受到了当时的技术发展水平限制,不能完美的实现手机锂电池的直接无线充电,只好用手机护套或者更换手机背壳的方法来实现手机的无线充电,这时需要采用的电压就是5V;而随着技术的发展,特别是在磁屏蔽材料方面的研究进展,实现了接收组件的薄型化、低发热、低泄漏。已经不需要再采用护套或者更换手机背壳的方法去实现无线充电了,可以直接将接收组件安装进手机电池或者手机的原装背壳。这时,5V的输出电压已经不是最好的无线充电方案了,而应该是4.2V的锂电直接充电方案。WPC的QI规格并不支持该输出电压。

 

WPC的QI规格是5W的接收功率,后面会向着更高功率的方向发展,接着是120W、500W、3千瓦或者5千瓦。但是在大功率应用方向,目前的无线输电效率还不能满足人们的需要,还需要技术上的进一步的提升。而他认为更小的功率上,推广无线输电更有现实的意义。比如说当手机的无线充电板的社会拥有量达到一定程度后,类似于儿童玩具、无线鼠标等目前使用干电池的设备也都可以考虑采用无线充电加二次电池的方法去替代现有的干电池方案,成本并没有显著的增加。使用成本反而更低。

 

最后他认为,在未来的一两年内,搭载在移动电源上的符合WMPTC规范的无线充电发射配合搭载在手机锂电池上或者内置在手机内的无线充电接收构成的系统会成为最为畅销的无线充电设备,因为这样可以获得比采用有线连接的方案更高的效率,同时成本上升不多。

 
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