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Qi标准应用受限,无线充电可否突围?
发布时间:2012/10/18 9:47:00 来源:
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无线充电系统的运作受负载变化影响。目前,移动设备为了缩短充电时间,充电过程中所需要的电流较过去有所增加。对于较大的设备(例如平板电脑),Qi规格的5W功率已不够使用。因此,市场发展的重点将着眼于实现更大功率。另外,受电设备本身大多并非稳定地抽取电流(动态负载)。系统需要依据负载变化,自动调整、修正系统的操作组态。

 

无线充电简单来看是不经过导电线来传递电能,由供电设备传递到充电设备,但实际操作上却有相当多的技术挑战。富达通科技公司总经理蔡明球介绍,无线充电的技术手段有很多,但目前唯一可以量产且通过相关的电磁检验法规的技术只有利用线圈的电磁感应式方法。

 

然而,这种方式的有效感应距离相当短,有效的感应距离约只有圆型线圈半径的一半以下,超过这个距离后就效率就会很差。目前推广中的Qi标准其线圈半径约20mm,有效距离就在10mm以下。在推广时,这样短的有效距离常被当作缺点进行批判,但也因为在这样短的距离下,运作时不会有太多的电磁能量散逸,所以相关的电磁检验也较容易通过。电磁感应式操作频率也较低,约在100kHz频段,整体生产成本也可以容易地降低到被接受的范围。这种技术在接下来的几年将被大量采用。

 

另一种技术为磁共振,也是利用线圈来传送电力。不同的是,磁共振的发射与接收线圈中间会加入由线圈与电容串接组成的共振腔,用来放大能量。磁共振的频率约在10MHz频段。这样的频率下在驱动、整流组件选用上都相当困难,因此在成本上将难以降低。另外,由于频率较高,要通过电磁检验法规也较为麻烦,以目前的技术状况看来,磁共振的系统短期内无法大量生产销售。因此,当用于量产时,电磁感应式方法要求更高的效率与功率、更可靠的安全机制。当成本控制在市场接受的范围内时,无线充电就会得到普及。

 

深圳市威特尔科技有限公司技术总监赵志斌认为,未来无线充电技术有可能覆盖整个微功率用电器范围,全面采用无线充电技术加二次电池的产品供电方案将取代当前采用干电池设计的产品供电方案。这是在现有技术条件下可以预见到的最大市场,它也最能够实现绿色环保效益。在大功率应用方向上,如果超导材料取得了极大进步,能够在常温或者零下几十度的温度上实现超导,那么大功率无线充电也会得到很大的市场,例如在电动汽车充电方向上。由于超导的发展更多地取决于超导材料技术的研究进展,所以目前来看,还是应该着眼于微功率应用方向才比较实际。

 

为了达到调整系统操作组态的功能和控制输出电力的输出端(Tx),需要知道接收端(Rx)的状态。蔡明球指出,由于Tx与Rx间并没有实体导线连接,状态传递需要通过无线通信。在无线充电器上建立通信(WiFi、蓝牙等)的成本太高,因此,通过Tx上的供电线圈与Rx上的受电线圈在电力传送的同时进行数据交换才是量产的作法。Qi系统也是采用这种方法。所谓标准规格的兼容性也是指数据信号内的格式与内容是否符合规范。实际操作上这种方式在产品端将会遇到非常困难的技术问题。

 

在线圈上的电力传送与数据传送会相互牵制,当功率输出过大或动态负载的情况下都会使数据传送失败。而靠数据传递来辨识Rx受电设备的Tx供电端失去来自Rx的数据时,应该判为Rx已经离开供电平台而切断电力输出。在充电平板若有金属品,电力发射将会对金属加热造成危险。因此,需要解决的一个问题是,如何在供电与受电线圈上稳定传送数据,且不受到负载状况影响。

 

另外,数据传送可以解决Tx端对Rx端的辨识与功率调节的问题,但有个盲点就是,在Tx供电线圈与Rx受电线圈之间若有小型的金属体(金属异物)造成部分遮蔽,依然可以传送数据和电力。可是,有部分能量将会对金属异物加热造成危险,这部分需要另外的金属异物检测机制来防止这一缺失。这个部分将会难以侦测。因为系统内有相当多的因素会影响到线圈上的输出特性,所以需要正确侦测在供电线圈上是否存在有可能造成危险的金属异物。

 

他表示,富达通在投入无线充电系统的研发过程中,在早期就遇到这些技术挑战,并开发出了以下几个技术方案予以解决。

感应式电源供应器中计时同步型数据传输的方法:这个方法在供电端与受电端之间建立一个通信系统,使供电端可以正确地识别来自受电端的所有传送数据,并且排除了因为动态负载产生的噪声与其它干扰的问题,达到数据稳定传送的功能。

 

感应式电源供应器中控制同步整流开关进行数据传输的设备:在Rx受电端上需要透过线圈反馈数据信号到Tx端进行数据解析,而电路需要同时具备良好的接收电力整流转换效率与明确的反馈数据两个功能。在这个技术中兼顾了这两个方面,不论是在低电流输出的空载还是大电流输出下,都可以达到优异的转换效率和数据的稳定反馈。

 

感应式电源供应器及其金属异物检知方法:正确在供电线圈上识别是否有金属异物是一项困难技术,因为在正确使用的Rx受电端放置后,也会有类似金属异物的电性反应。富达通发展了一个复杂算法,在Tx端电路的主控制IC上进行分析运算,可以精确地分辨出可能会加热引起危险的金属异物的存在,并进行相应的保护动作。

 

 

图1:富达通α4原型评估板。(电子系统设计)
图1:富达通α4原型评估板。

 

对于未来有何新品推出,他谈到,富达通在明年第一季度将会推出性能更好的α4系列产品(见图)。该系列具备极宽的模块工作电压范围(3.5V~24V);在3.5V驱动下即可输出5W到RX端;采用12V驱动时可以输出60W功率。α4系列拥有更高的转换效率,在一般线圈条件下平均转换效率达80%,在最佳线圈条件下效率可达92%(这里的效率指的是由Tx端的直流驱动输入到RX端的输出负载的电流比例,目前市售品效率约在70%以下)。另外,它还具有精准的金属异物检知功能和更好的安全性。

 

为移动设备打造无线充电组件

 

威特尔的产品具有最薄的厚度和最低的发热,同时其成本也可以接受。赵志斌指出,目前来看,无线充电设计主要的问题在于接收组件和接收芯片都没有很理想的产品可以采用。威特尔已经在组建接收组件的生产线,并且开始了接收芯片的设计。

 

目前,威特尔已经开发完成了iPhone 4 的无线充电护套。正在开发三星Galaxy 3的无线充电背壳、iPhone 5 无线充电护套。另外,待诺基亚820上市后,该公司也会开发相应的无线充电背壳。威特尔还会提供一款带有移动电源功能的充电底座,进一步方便使用者并且方便用户连接现有的USB2.0充电插口。除过手机方面的无线充电应用外,威特尔还在开发一些电子蜡烛等适合于采用无线充电技术的产品。

 
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