無線充電目前主要有3個不同標準,但現在市場上有90%以上用的都是WPC Qi標準。市場發展到今天非常好,原因之一是蘋果(Apple)去年2月份就宣佈,其iPhone 8/X將支持無線充電。第二,從發射端角度講,汽車業現在對無線充電也非常感興趣,今年大概有100多個車型會使用前裝無線充電器。而且現在Qi無線充電(接收端輸出功率)最大可以達到15W,如果用這樣大的功率來充電,手機電池依3,000mAh來算的話,開車40分鐘就可以把手機充滿60%。因此,其相對於5W來講,實用價值非常高。這也將進一步推動無線充電產業的發展。

據市場分析機構IHS預估,今年市場上無線充電接收器IC出貨將達5億片以上,市場相當可觀。事實上,到目前為止,今年採用無線充電的手機出貨量已達2億支,與該資料吻合。另外,對於中國市場來講,蘋果和三星(Samsung)這兩大廠商,基本上都有無線充電的手機,這涵蓋了很大的市場。而發射機(Tx)對於中國來說,是個很好的市場——目前中國本土公司生產了很多發射機產品,包括15W、5W和蘋果無線快充的產品。此外,上個月小米和華為都宣佈了內建無線充電的旗艦手機,以及配套的無線充電器。

這是日前在ASPENCORE旗下《電子工程專輯(EET)》、《電子技術設計(EDN)》和《國際電子商情(ESMC)》中國版共同舉辦的「無線充電與快速充電技術論壇」上,筆者從IDT產品定義和系統應用高級總監Rui Liu的演講中聽到的有關無線充電的一個好消息。

他的議題是「無線充電:發射機和接收機設計及權衡」,裡面詳述了各種無線充電技術的原理、在設計發射機和接收機時需要考慮的主要參數,以及在實際應用中遇到的一些問題。資訊滿滿,以下和讀者們分享。

三種無線充電技術的原理及優缺點

電磁感應(WPC Qi標準)。電磁感應原理和變壓器差不多,即有初級線圈(發射機線圈)和次級線圈(接收機線圈),能量通過磁場從初級傳到次級。Liu 表示:「與變壓器的唯一區別在於,它是透過空氣耦合而不是磁性耦合過去的。以前的電動牙刷插上去就可以充電,和這個道理差不多,只不過它磁芯是立體的,我們是平面的。」這個技術最關鍵的問題是耦合,從而把效率做得高。

由於是根據變壓器原理實現的,所以它功率和頻率不是太高,比如WPC標準的頻率小於205kHz。另外在設計發射機時,還要考慮所賣地區的EMI和法規要求。

電磁共振(A4WP標準)。這個標準頻率比較高,它是利用磁共振的方式實現的。Liu 介紹:「這種方式有點像收音機——需要有一個諧振電路,調到那個頻率上才能收到音,調不到頻率則收不到音。」亦即磁共振接收端要調到它的工作頻率6.78MHz,調不到這個頻率則收不到電力。

A4WP的規範比較「有彈性」:第一它可以一對多,第二它可以隨便怎麼放。另外,它的發射機和接收機之間通訊也比較容易,是用低功耗藍牙(BLE)而不是用頻帶內(in-band)實現。它的缺點是,採用比較大的線圈做到一對多,因此存在磁場沒有被充分利用和能量飽和的情況——目前效率能做到50%就相當不錯了(最高可以做到55%)。第二是成本高。Liu 指出:「在座如果有做過DC-DC電源就能理解,1M和6M開關電源的效率完全不一樣,要做6.78M的效率難度可想而知。因為6.78M是個通訊頻段,有頻段要求,精準度要高。它必須要用晶振,避免干擾,所以成本比較高。另外,它的線圈比較大,有磁場(即EMI)輻射,且6.78M對人體有沒有什麼影響,目前還沒有好的結論。」

電場耦合。目前,電場的產品尚未在市場上看到,即使有,也是在極端特殊的情況下根據電場的原理來實現傳輸。目前來看電場還沒有大功率產品,也沒有什麼市場。

無線充電如何工作?

第一要有發射機,要有直流電源,利用半橋產生一個方波。然後經過一個電感電容,從直流變成交流。一旦產生交流電流,它就會透過電感產生一個磁場——特別是WPC的Qi標準,就是採用磁場傳輸能量。

第二,有了這個磁場以後,就必須有接收機來接收這個能量。交變磁場透過接收線圈時,就會使它產生一個交變電壓。然後就需要用一個全橋(或半橋,全橋更多)去整流,產生一個相對比較穩定的直流電壓。一旦回路閉合,就會有電流傳輸,這就實現了無線充電。

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Liu補充:「當然,發射端線圈下方的磁場不需要。下方若有電路板或其他金屬,會產生渦流損耗。同理,接收端上方的磁場在空氣裡,也不需要。因此,不需要磁場的地方,要想辦法遮罩,這就是為什麼所有的線圈後面都加了一個隔磁吸波材料。」

此外,還需要對能量進行控制。能量的需求方是接收機。接收機需要發送一個訊號,告訴發射機能量夠不夠,進而發射機加大或減少能量。通訊可以用BLE,而現在WPC用的是振幅移位鍵控(ASK)(In-Band),即調幅方式,調幅的頻率是2kHz;100多kHz的功率經過載波、調幅,就可以把訊號加進去。這樣就成了完整的無線充電器。

確定線圈尺寸及距離

系統到這步是可以工作的,但我們還需要確定線圈尺寸,以及距離。下圖是發射線圈的磁場分佈情況。從中可以看出,磁場密度集中在中間這一帶。離發射機線圈越遠,磁場強度越低。所以,要做一個效率比較高的發射機的話,接收機線圈和發射機線圈不能隔太遠——目前Qi要求是在8mm以下,通常是4~5mm。第二,線圈越小效率越低。如果接收機的線圈能夠把發射機的磁通全部包進去,那麼效率就會提高。

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由於是利用變壓器的原理,因此其可以用變壓器的互感原理實現。要解決設計上的不穩定,可以透過以下互感公式來解決。

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耦合係數k理想情況是0.2~0.8,變化範圍比較大,越往中間耦合越好。線圈越小耦合越差,知道兩個線圈的電感及之間的互感,就能夠計算出k值。

縱向、橫向和角度位移對耦合係數的影響

下圖中,左邊是接收機和發射機線圈耦合示意,右邊是耦合係數k與位移d之間的關係,未對準包括縱向、橫向和角度三種情況。其中,縱向變化影響特別大;橫向變化(比如在5~7mm以內)影響相對小一點。這個曲線也解釋了,符合WPC的接收機(比如手機)放在充電板上,從中心外旁邊挪5mm,對效率的影響不是太大;7mm就比較大了。Liu 談道:「z的距離在5mm以內,xy/半徑不超過5mm,效率就比較好。有多好呢?在5V輸入、5V輸出、5W的情況下,如果接收機的線圈交流電阻(ACR)做到120mΩ或150mΩ以下,那麼效率可以做到78~80%;如果是12V輸入、12V輸出,15W時,效率可以做到87~88%。這很大情況下取決於接收機的線圈,也就是ACR。」為什麼是接收線圈?因為WPC對發射機線圈要求非常高。要設計一個發射機,就必須按照它的參考設計來做。換句話說,就是在發射機設計上基本上沒有多大的改動餘地,而接收機線圈則沒有太多規定。

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下圖中的綠色部分是比較好的曲線。縱軸是效率,橫軸是線圈距離。當線圈大小比例或距離太大時,效率都會變差。

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Liu強調:「我們基本上都是以發射機線圈作為標準,為什麼?因為發射機線圈是受WPC控制,沒有辦法去改變線圈。在做Qi認證的時候,必須告知所用的是哪一個線圈,哪一個發射機參考設計。認證單位會根據那個設計的標準,來檢查發射機有沒有通過,檢查不通過,就需要重新設計。」

如果能夠滿足圖中綠色部分以內的參數,那效率就可做得比較好(70%以上)。

Qi的局限性在於不能離太遠。Liu 指出:「我和客戶及同事討論無線充電的時候,大家有一個錯誤的認識,就是認為我們的無線充電,應該是我把手機放在褲子口袋裡,在我的屋裡走就可以充電,這在Qi的標準裡是實現不了的。但是現在有人在研究遠距離無線充電。」

電能傳輸效率優化總結

以下總結對於Qi標準,如何實現最大效率的電能傳輸。

1.接收機線圈一定不能離發射機線圈太遠(控制在5mm以內是最佳狀態);

2.接收機線圈不要做到太小,而應儘量做到和發射機線圈差不多大(目前在手機裡接收機線圈是做到直徑35~54mm。線圈大的好處是很容易和發射機配對,缺點是成本相對較高);

3.用一些對準方法,比如視覺(影像)、機械或磁鐵(如穿戴式產品)。說到磁鐵,有一點要注意:永久磁鐵放在發射機中心,對發射損耗有不小影響,會達到5~10%,因此推薦最好是用三個磁鐵,放在線圈外面;

4.使用里茲線(Litz wire)盡可能降低線圈交流電阻;

5.設計合適的線圈增益(輸出電壓/輸入電壓)來維持最佳工作條件。

強調一點,發射機側,在DC-DC甚至DC-AC時,有一個使能接腳用於實現自我保護。在接收機側,整流是4個MOSFET(幾百V),沒有辦法關掉,否則功耗太大。所以接收機自我保護非常重要,尤其是在大功率(5W以上)、高電壓(9V以上)的情況下。

Qi的通訊採用的是2kHz/500μs ASK。Liu強調,無線充電是一個系統,有接收機和發射機,接收機是主控,發射機是從控。發射機需要接收機告訴它需要多大功率。因此,通訊一定不能中斷,否則就會出問題,要是接收機的自我保護再做不好,就會出現更大的問題。

ASK通訊既可以用電壓也可以用電流來反映。目前做得比較好的是透過電壓、電流兩路來反映,這樣可以提高可靠性。