磁感应/磁共振标准并进 无线充电商用加速

2014-02-08 10:17:39来源: 互联网

无线充电应用产品将大量涌现。消费者对行动装置电池续航力的要求,促使无线充电技术快速演进,不仅磁感应标准与生态系统日益完备,且应用版图不断扩大。可实现更长充电距离的磁共振技术规范与解决方案近期也大有突破,可望进一步延伸无线充电的市场触角。  

  在电子产业中,无线电源技术是明显成长的领域,且强化各式各样的应用。无线充电数量成长动能,其一是来自消费者对于采用电池做为电源的可穿戴电子装置需求大增,另一则是充电的不便利性。具备无线充电能力的可穿戴设备数量已大幅成长,且随着这个成长趋势的持续,无线电源将成为日常生活及可穿戴设备使用习惯中的一环。

  在消费市场中,鉴于开发标准、解决方案微型化、成本降低等考量,磁感应(MI)及磁共振(MR)两种技术成为具有主导地位的无线电源传送技术。

  由于有着较紧密的磁耦合,磁感应目前可提供较高的电源传送、设计较简单,且具有较好的效率;至于磁共振则是能够提供较多的空间自由度、每一个发射板 (Transmitter Pad)可容纳多个接收装置,以及在近场金属物体上累积的热量较少。在磁感应领域有两个盛行的标准:无线充电联盟(WPC)的「Qi」标准,以及电源事务联盟(PMA)的标准。对于现今以磁感应为基础的可穿戴设备设计人员而言,问题因此产生,也就是是否可以确保与「Qi」标准、「PMA」标准,或与两个标准的相容性。

  磁共振的标准主要由无线电力联盟(Alliance for Wireless Power, A4WP)主导。与「Qi」标准或「PMA」标准相容的产品,目前已上架销售,而以A4WP为基础的产品则被预期要在2014年问世。

  本文旨在检视无线电源产业以及磁感应与磁共振技术的相关性;同时还会讨论製造磁感应无线电源接收器的晶片製造商,可以如何协助磁感应技术克服双重标准的问题。

  生态系统成形 无线充电商用加速

  在日常生活的许多方面,电源及资料的有线连接不便利性,已是无可避免。无线资料存取已经无所不在,但是类似的简单无线电源接取却仍不可得。外出时得随身带着笨重的插头、电线及转接器,且须烦恼着找寻可用的公共电源插座,这种麻烦事总是一再重复。

  在建立普及的无线电源生态系统后,行动电话将受惠最多,主因是行动电话有着大面积且高亮度的显示器、威力强大的多核心处理器、各种内建无线功能、需要即时资料的应用程式,及新的生物识别应用程式等,这些因素会导致手机在一天内须重新充电好几次。

  此外,消费者的需求倾向更轻及更薄的装置,但不幸的,锂离子电池的功率密度并没有对应增加。为回应消费者的需求,主要可穿戴设备製造商都已开始出货与「Qi」标准(目前最盛行的无线充电标准)相容的行动电话。行动电话营运商并鼓励无线电源传送生态系统的建置,以让行动装置可达成随时随地充电,且能传输无线资料的目的(图1)。

  磁感应/磁共振标准并进 无线充电商用加速

  图1 无线充电将让行动电话等可穿戴设备的使用更加便利,并且可减轻携带各种特定充电器与电线的不便。 图片来源:Powermat

  只要将装置放在支援无线电源的装置上,即可进行无线充电,前提是发射板须能广泛设置,而这样的建置已然发生。

  目前在家庭及办公室中,已经有各种不同形式尺寸的Qi与PMA发射板可供选择。丰田(Toyota)与克莱斯勒(Chrysler)的新车种已提供Qi标准发射器的选择,且未来还会有更多车款也会提供此功能;此外,许多售后市场(After Market)汽车解决方案也都问世。

  PMA正快速签署合作伙伴协议,这些合作伙伴发现在他们的餐厅、零售商场、旅馆,以及其他场所中建置无线电源生态系统与智能型网路,可藉此吸引顾客,并可能形成另外一项收入来源。举例而言,星巴克的「Never Powerless」计画于2012年开始在麻萨诸塞州波士顿展开,并已开始在硅谷地区进行新的建置,中期计画则是仅在美国地区就要提供超过一百万个充电点。

  随着发射器站生态系统与标准的建立,可支援多种无线电源标准的行动装置将受惠最多。IDT等公司所推出的类比与数位技术正快速发展,对于无线电源的需求也不断成长,这些在IMS Research的研究报告中皆有强调,此报告说明在未来数年内,无线电源产品的出货量预期将会出现爆炸性成长,至2016年将超过叁亿台,且于2018 年达到十亿台。这代表着2011年没有无线充电需求的市场,已成为一个明显成长的市场。

  磁感应与磁共振技术各有优劣

  磁感应技术(Qi与PMA)是首先在市场上出现的技术,且在初期的无线电源市场上占据主导地位。相对于磁感应,磁共振(A4WP)具有一些实际优势,但同时也面临其他挑战。

  相较于Qi标准在110-205kHz的范围中运作,A4WP标准则是有固定的运作频率6.78MHz,很明显的,透过法拉第的感应定律,能以较松散的耦合因素(有着更多的位置弹性)进行更有效的电源传送。由于具有较高的频率及较高的线圈电压,因此可以使用较小且较薄的接收线圈,能让机构设计更容易融入行动装置中。较高运作频率的另外一项好处,就是接近发射板周围的金属异物内所累积的热量较少,此因有着较低的表面涡电流(Eddy Currents)所致,这也意味着装置内的寄生金属(像是电池)在充电时,是不太可能累积热量的。这种A4WP标准是利用频带外双向蓝牙低功耗 (BLE)讯号,来沟通与调解充电状态下装置的电源需求。

  相反的,Qi与PMA标准使用单向的负载调变(Load Modulation)方式在频段内进行通讯,并将电源调节讯息传回至发射器。Qi标准的方法很简单且便宜,但受限于低通讯速率,因此仅能处理一个接收器,且很容易受到系统所产生的电磁波干扰。

  磁共振技术的实行有挑战,须针对大众市场进一步最佳化量产解决方案后,才能真正有效运作。这种磁共振接收器是使用高Q值的电感电容(LC)储能电路 (Tank Circuit),直接以共振频率来运作。其中的挑战在于,如何在不同的温度与电压之下,能持续将储能线路调整至固定的共振频率。当它漂移时,效率会下降。

  磁感应标准在执行上较简单,因其总是运作在比共振更高的频率上,所以并不需要高Q值的线路或是精确的被动元件。然磁共振高Q值线路使用较精确元件,因而抵销掉使用较低线圈成本的效益。无屏蔽的磁共振接收线圈也较小,且使用比磁感应线圈较细的电线,因此关键元件成本可更低。

  无线电源系统所产生的电磁辐射,将会是消费者的关注重点,但本文篇幅无法全面讨论。就机构方面而言,磁感应是一个封闭的耦合系统,这意味着发射与接收线圈是被直接放置在彼此的顶端,如此方可促使磁感应的电源传送,故可直接在线圈的上方与下方使用铁芯来进行屏蔽(图2)。这些铁芯屏蔽以两种方式提供协助:首先,藉由让它们更加靠近,且线圈有着较佳的耦合状况后,来改善磁力线的循环流动,第二点则是这样的屏蔽可减少从系统所发出电磁辐射的数量。

  磁感应/磁共振标准并进 无线充电商用加速

  图2 磁场大部分被包含在使用铁芯屏蔽的材料中。 图片来源:TYLT

  [@B]克服Qi/PMA相容挑战 双模接收器方案有谱[@C] 克服Qi/PMA相容挑战 双模接收器方案有谱

  磁共振是一种松散的耦合系统,这意味着接收器可距离发射器10公分远(图3),也因此,铁芯屏蔽将无法达到磁感应的优势。让辐射程度保持在安全范围内是技术进展的一部分,可进一步推动无线电源传送技术普及。

  磁感应/磁共振标准并进 无线充电商用加速

  图3 磁共振的无线充电可以有着松散的耦合以及空间自由度。

  有一个潜在的问题,在短期内将会抑制无线电源应用的迅速增加,这些应用包括公共场所的无线电源充电板、热点桌、柜台檯面,以及其他位于机场、咖啡厅、娱乐场所等这些地点中的充电平面,这个问题就是现存两种磁感应标准--Qi与PMA标准的相互竞争。这两种标准都是可行的方式,且可提供可靠的效能,因此这两种标准似乎都可能被建置公共充电热点的场所使用。就理论上而言,这可能会导致手机拥有者必须去寻找可与他们的手机相容的特定无线电源存取点。这一点将无疑地会令消费者感到挫折,以及可能因而降低利用率。

  摆脱充电线 无线充电技术加速普及

  半导体业者在开发无线电源解决方案时,早已认知到此一问题,并且已开发出可消弭发射标准的相容障碍的无线电源接收晶片,这种双模接收器单晶片解决方案已能解决这个问题。这些解决方案可以让行动装置及周边的OEM业者将产品销售至更广大的市场,且能藉由避免多种不同产品的需求,进而节省成本。OEM厂商现在可以使用单一整体物料清单(BOM),以及透过使用单一的通用线路布局,来将应用产品的占板空间极小化。

无线电源是一种令人振奋的新技术,它让行动电话可以拥有更长的开机时间,这也就促进行动电话的创新。利用特定的充电转接器及麻烦的电线来为电池充电,已被证明是一种不便,且可能是可穿戴通讯及运算发展中最脆弱的

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关键字:磁感应  磁共振  无线充电

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2014/0208/article_23942.html
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