MI/MR规格标准化 无线充电产品加速普及

2016-05-16 19:24:01来源: 新电子
    磁感应(MI)与磁共振(MR)是实现无线充电的两大技术类型,各自拥有不同的技术特性与优势;近期在无线充电联盟(WPC)与AirFuel联盟大举推动下,相关标准的发展已更趋完整,晶片方案也陆续出笼,可望扩大无线充电应用普及。

无线充电在最近加紧脚步进行标准化、策略结盟和技术整合之前,市场一直处于纷乱局面。这个市场的规模预估在接下来的几年会达到几十亿美元的产值,而由于开发、整合相关解决方案所需的资源和知识十分可观,该市场已经成为少数几家一线公司的天下。  
无线充电助臂力 网路生活好Easy  

实体线缆是很不好的。它们会磨损或断裂,连接处亦会松脱或受损,更别提人为疏忽、遗失或让人被绊倒。此刻当我们尝试摆脱线缆时,在此之前,重心是放在无线数据上,主要是由无线乙太网路和蓝牙所驱动。  

尽管无线化有许多潜在和明显的好处,历史显示,无线技术被市场接受需要时间酝酿。乙太网路在1973年发明的时候,原本是要作为无线通讯技术,因此才称为乙太(Ether),但早期的作法却只用电缆,且持续了至少20年。  

无线电源领域的鸿沟更是大得多了。无线电源的历史可往回追溯到1831年,当时Michael Faraday发现了电磁感应。这技术在1891年Nikola Tesla以电感和电容耦合,成功实现无线电源传输后再次兴起,然后就没动静了。  

在整个20世纪,我们都忙于用半导体来取代阀门、将人类送上外太空、和一头栽进全球资讯网(World Wide Web)。  

2006年麻省理工学院(MIT)研究人员的报告指出,他们发现一个有效率的方法,可在距离几公尺的线圈之间传输电力。这个由Marin Soljačić所带领的研究团队用理论说明,他们可以利用共振来增加线圈之间的距离。  

在21世纪之初,行动计算快速发展。消费者可携带行动装置,其计算功能比起20年前他们的桌上电脑要强大许多。网际网路变得无所不在,无线连结变得成熟,消费者可在行动间收发电子邮件和上网通讯,一直到行动装置电源用尽为止。  

没有了电源,我们21世纪的行动装置用户变得绑手绑脚的,非得要到有电源插座的墙壁,插入电源线充电,然后才可再继续他们毫无顾忌的行动生活。  

电源线就算尚未走到死胡同,也快要到尽头了,至少就行动装置充电的角度而言是如此。无线充电就要成为人们所想要的行动装置充电方式,这些装置包括智慧型手机、平板电脑以及话机/平板混合体,亦称为“平板手机(Phablet)”。  

确立标准互通性 无线充电市场百花盛开  

无线充电的成功将会建基于高科技和实用主义的组合。无需电源线的电力传输所带来的挑战已获得解决且正快速演化中,需要简化、安全性、可靠度、和单纯的方便性,以确保一旦消费者了解到这些好处时,至少永远不必担心忘了带充电器或电源线,能对此产品做广泛的采用,使其遍地开花。  

早期的无线充电系统通常是在售后市场上销售,但常被视为某种科技玩具,不是传统转接器和电源线的可行替代品。当时市场上贩售的系统相当笨重,体积也大,且行动装置须先插入充电套才可放置在充电垫上充电。零售价格也很高,通常一个完整的系统要超过100美元,且消费者需要随身携戴这个充电器,还得小心地看护着它。当时无线充电未被采纳,因为使用上太不方便。相较之下,电源线在当时就是比较简单、比较轻,也比较便宜。  

这个技术若要成功,那么优雅且平价的技术解决方案和市场接受度就成了关键的先决条件。市场接受度提高,吸引更多供应商进入此市场,增加创新,最终驱使成本下降到市场可广泛接受的程度。历史已向我们显示,在市场形成的初期阶段,竞争性的解决方案和标准,无论是正式定义的或现状的,对产生所需的接纳度是很具关键性的。一旦一致性的标准存在了,且制造商和标准之间的互通性确立了,市场的成长就会加速得更快。  

IHS Technology在2014年发表其无线电源报告时,预测无线电源传输器和接收器的出货金额会从2013年的2亿1千6百万美元上升到2018年的85亿美元,几乎增长40倍(图1)。  


图1 无线电源传输器和接收器的全球市场营收分析(单位:百万美元)
无线充电标准大乱斗  

如同许多其它新兴市场一样,整合之前总有分歧(例如VHS和Betamax之间的录影带格式大战),而无线电源也不例外;但迹象显示,标准调整与整合已出现曙光。  

主要的市场参与者,包括软体和零组件公司、手机制造商和网路营运商,携手合作开发所需的标准,使不同制造商的充电系统和行动装置之间的互通性得以实现。  

早期有三个主要的集团争夺无线电源的领导地位,它们是无线充电联盟(Wireless Power Consortium, WPC)、无线电力联盟(The Alliance For Wireless Power, A4WP)、以及电力事业联盟(The Power Matters Alliance, PMA)。在2014年初,A4WP和PMA同意联手合作,并于2015年6月1日通过这两个集团董事会的投票通过。接着在2015年的11月12日,一个新合并的标准组织宣告成立,其名称为AirFuel Alliance。  

AirFuel Alliance目前有超过195个成员,其董事会成员公司包括AT&T、博通(Broadcom)、金顶(Duracell)、伟创力(Flextronics)、吉尔电子(Gill Electronics)、Integrated Device Technologies(IDT)、英特尔(Intel)、联发科(MediaTek)、安森美(ON Semiconductor)、Powermat Technologies、高通(Qualcomm)、三星电子(Samsung Electronics)、三星电机(Samsung Electro-Mechanics)、升特(Semtech)、星巴克(Starbucks)、WiTricity。  

该无线充电联盟目前则拥有227个成员,其管理董事会/指导委员会系由下列公司所组成:无线联电科技(ConvenientPower)、Delphi Automotive Systems LLC、DongYang E&P、飞思卡尔(Freescale)、Fulton Innovation、海尔(Haier)、HTC、IDT、礼恩派(Leggett & Platt)、乐金(LG)、微软(Microsoft)、诺基亚(Nokia)、松下(Panasonic)、飞利浦(Philips)、PowerbyProxi、Qualcomm、罗姆(ROHM)、三星(Samsung)、索尼(Sony)、意法半导体(ST)、德州仪器(TI)、东芝(Toshiba)、威瑞森(Verizon)。 磁感应充电技术  

实质上,磁感应(MI)充电背后的原理和技术和今日全世界十几亿人口所使用的开关模式电源(SMPS)非常类似。  

在最简单的形式下,交流电源电压进入无线发射器/充电器,并经由整流器转换成直流电。然后被“切碎”成高频交流讯号。MI充电频率通常介于100k~200kHz。  

在传统的SMPS中,此高频交流波形接着被传送到磁耦合变压器,以便于再次整流电压以供应直流负载之前,改变电压的电平。  

或许最容易瞭解这些相似性和差异性的说法是,在SMPS中,变压器是个单一组件,由铁或氧化铁所制造的一次侧与二次侧组成。在MI中,电压器是分离的。  

一次侧是发送器/充电器的一部分,二次侧则内建于接收器之中,而这接收器就是被充电的行动装置。  

明显的差异是,在MI中,是一次侧和二次侧之间的耦合是在空气中进行,且在这两个磁场之间的耦合是很松散的。但是,当符合某些基本条件时(充电器和设备的间距、线圈大小和相对于线圈大小的线圈之间的距离),就会产生良好的耦合,进而便输送电力(图2)。  


图2 经由磁感应充电的电力移转基本原理
MI充电依赖实体充电器(通常是充电垫的形式)。要充电的装置被放置在这个垫子上,当充电器侦测到这个装置时就会开始充电。  

根据WPC的说法,运作MI充电器的传输线圈,其频率与接收器的共振频率稍为不同,可确保最高的电源和效率。但也因此使得传输和接收线圈非常必须非常靠近,且线圈与受电端对齐的情况会对充电效果产生明显影响。在使用时,这个装置必须被很小心地放置好,且在充电过程中不可被碰撞到。使用多重线圈传输器可降低这个敏感性,且也可同时对多个行动装置进行充电。  

比较磁感应与磁共振堆叠方式  

在无线充电领域中,有两个新兴的基础技术,即先前描述的磁感应和磁共振(MR)。在这无线充电领域中,有两个相互竞争的优先考量,且在某种程度上,何种方案较为理想要视应用需求而定。  

将这两种方法用一个简单的比较来说明在应用中主要的差异:磁感应需要紧密耦合,且当X/Y位移在最小时,可获得最高的效率。然而,磁共振可有较好的空间自由度,虽然无法与磁感应的最佳效果相比。下面图3证明这个差异,显示MI的“集中性”和相对于MR的“宽阔性”。  


图3 磁感应技术在位移最小时可获得较大的效率水准。磁共振即使在传送器和接收器紧密靠在一起时,也无法获得和磁感应相同的效能,但当位移增加时,其效率不会像磁感应那么快速下降。
基础设施/用户齐成长 无线电源商机大喷发  
无线充电技术的易得性和易用性,将会在市场普及过程中扮演重要角色。易得性与易用性不只影响终端装置使用者,也会影响原始设备制造商(OEM)将此技术整合到家具、汽车、机场、咖啡厅、火车和其它类似场合的意愿。  

虽然电池技术正在快速演进,使用者需求和对行动装置的依赖也不断增加,因此对“移动中”充电的需求也必定将增加,举例来说,当行动装置变成主要的购物付款工具时,就会变得不可或缺了。然而,制造商、零售商和服务业者会在使用者族群够大之前不断投资建立充电站,以便吸引更多用户使用吗?设备制造商会将充电线圈包含在其行动装置中,直到消费者可很容易接触到这些充电站吗?基础设施和用户群必须一起成长,才可实现无线充电的价值。  

检视最近的产品公告,我们会发现在这方面的投资和接受度正在增加,也许比我们最初预期的要快得多。Qi充电已于2012年9月整合在Nokia Lumia 820和920产品中。这个充电技术亦已存在于Google/LG的Nexus 4产品、摩托罗拉(Motorola) Mobility的Droid 3和4的产品、以及HTC的Droid DNA产品中。将无线充电包含在产品中的趋势进入到2013年时,加入了三星(Samsung)Galaxy S4和Google与华硕合作的Nexus 7以及与LG合作的Nexus 5产品中。  

带动穿戴装置风潮的Apple Watch也包含了无线充电,且2015年稍早时,三星宣布旗舰S6、S6 Edge和S6 Edge+产品包含与Qi和PMA相容的无线充电技术,这是通用相容性的开端。  

在充电这一端,三星已经将一个以Qi为基础的无线充电功能整合到他们最新的LED监视器中。行动装置放于监视器支架上,可在你观看时、工作时或上网时充电。  

当这进展变得快速且明确并走上加速的途径上,预估的指数增长需要大量OEM的支持,而不只是“一级”公司的支持。理想的情况是,对此技术的接触将大众化到许多的小公司,且最终达到消费者本身。  

一些主要的参与者正致力于这大众化的过程。IKEA正在销售内建此科技的家具。  

更有趣的是,他们还提供相关安装套件,让消费者可以自行把充电垫安装在任何地方。这样的作法可为无线充电的大众化增加动力。  

模组化解决方案的容易取得也可让小型家具供应商、餐厅老板、图书馆,以及一整串的其他业者,在没有技术专长的情况下整合这个技术,而无线充电发展的唯一限制将是人们的想像力。  

目前市场上已有业者,如IDT宣布推出一系列的即插即用套件。这些预先设定组态的传送器和接收器建构于经市场验证的IDT无线电源半导体上,且包括容易使用的参考印刷板和广泛的支援材料。这些套件让公司整合无线充电变得容易、实用且负担得起,无需投资即可获得公司内部的无线技术相关知识。  

事实上,无线充电晶片商已投注大量资源做自我提升并移除了此技术和市场的进入壁垒,并将他们的知识、专业和市场领先的技术内建到简单的模组,使几乎所有的人皆可受惠使用。利用这些解决方案,在大约200秒内,一位工程师就可成功地将一套经由金属支架插角充电的头戴耳机转换成一套无线充电的头戴耳机。  

这些套件所包含的介绍影片、使用者手册、异物检测(FOR)调整指南、布局指南、布局实例化模组、原理图、物料清单(BOM)、Gerber档案和其他项目,让建立新应用变得比较简单和更快速。此外,这种高整合方案使系统设计者,在与早期以离散组件构成的无线充电系统的比较上,能够获得大量物料和工程成本的节约。  

关键字:MI  MR

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2016051654010.html
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