美國新創公司NuCurrent多年來持續致力於無線充電技術的開發,它原本只是美國西北大學(Northwestern University)的一項研究生專案,目標在於為植入式神經刺激裝置供電。2009年開始成立一家公司後,直到2013年以前一直專注於為植入式醫療裝置提供無線充電。

2013年,隨著無線充電系統、整合製程和元件的不斷進步,該公司開始在無線電源領域取得突破性進展。

過去幾年來,NuCurrent在無線充電領域取得了多項成果:

  • 與德州儀器(Texas Instruments;TI)共同開發A21線圈,滿足無線充電聯盟(Wireless Power Consortium;WPC)的Qi標準;
  • 發明業界領先的專利磁性技術,並製造了世界上最輕薄短小、且Q值最高的印刷天線NuIQ,通常可以實現20~70%的高Q/低ESR;
  • 針對AirFuel標準開發並認證Q值最高且均勻度最佳的諧振器;
  • 實現功率需求範圍為1mW至300W的完整系統設計;
  • 開發超精度硬體模擬器,實際精度達到±2.5%,以更短的硬體設計時間加快產品上市;
  • 宜普電源轉換公司(Efficient Power Conversion)在其EPC9120展示系統中採用了氮化鎵(GaN)功率元件以及NuCurrent線圈。

那麼,NuCurrent有哪些創新技術值得關注呢?

創新技術推動Qi標準進展

NuCurrent憑藉其MP-A17發射器設計,推動了 WPC Qi標準的發展,並生產出該標準的首款15W擴展功率配置(EPP)充電器設計,其Z高度(Z-height)為12mm,約為既有標準的3倍。

NuCurrent的設計將在下一次標準組織會議上成為WPC規範的一部分,預計其首款發射器設計也將在12月8日當週添加至WPC官網的發射器資料庫和WPC測試平台。

MP-A17

MP-A17是一種15W Qi標準充電線圈規範,它具有擴展的Z高度和定位靈活性,由NuCurrent透過WPC規範工作小組擬議、設計、開發並推廣。最終規範預計將於2019年9月透過WPC季度會議定案。

這種新的架構和軟體配置擴增了發射器和接收器之間的充電量,可根據不同的設計、使用案例和用戶體驗提供多種選擇。

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圖1:MP-A17線圈參數。(來源:NuCurrent)

MP-A17對無線充電產業有多重要?

在NuCurrent推出這項設計之前,感應充電需要精確對準線圈,而且線圈之間的間隔要非常小。第一款無線手機充電器受限於對準、定位、充電速度和充電可靠性等缺陷,因此在使用時需要不斷調整手機的位置,直到建立良好的無線充電連接。

以往將無線充電線圈嵌入抽櫃或床頭櫃常常需要切開桌面,然後把充電器嵌進去,無法直接將它放在桌子底下或者穿過桌面來實現。另一個問題是,如果使用者的手機帶有保護外殼和其它配件,也必須先移除,或者將這些配件重新安裝在其它位置,才能正常進行無線充電。

NuCurrent的MP-A17設計針對以前的這些缺陷做了很大的改善。新的線圈設計增大了Qi發射器的Z高度和整體充電量,並提供符合標準(15W)的最高功率級,使其得以實現更快的充電速度、更容易對準,也更容易確定間隔距離。

總之, MP-A17設計是針對Qi標準的重大改進,可以實現創新的設計,提供更好的用戶體驗。

使用案例

為了滿足設計要求而實現更大的Z高度或間隔距離,如今也有助於推動無線充電應用於更多領域。一個例子是物流公司使用的帶有堅固外殼和手帶的掌上型電腦/掃描器。在惡劣環境中,這些裝置中的金屬觸點可能是引發故障的主要原因,而如果採用無線充電,就不再需要這些觸點了。然而,工業設計由於間隔距離過大而不適用標準Qi充電,因而需要增加Z高度,由此出現了以下的一些產品。

發射器/底座
Honeywell無線充電車載底座與裝置之間不再需要連接器,從而提高了在嚴苛環境中的耐用度。

接收器/裝置
Honeywell Dolphin CN80資料採集終端配備觸控功能和實體按鍵,即使在嚴苛的環境下也能簡化資料登錄。因此,這種專有系統雖然並未經過Qi認證,但其使用體驗影響了MP-A17的設計。

在開發MP-A17之前,NuCurrent已經解決了多個高Z值設計挑戰,這一IP影響了MP-A17設計的多個方面,包括:

  • 線圈設計
  • 專有的模擬和測試
  • 硬體架構
  • 元件選擇
  • IC韌體控制——與恩智浦(NXP)合作

WPC的許多成員,包括蘋果(Apple)、Google、戴爾(Dell)、西門子(Siemens)等科技巨擘都認為MP-A17無法實現,但透過NuCurrent的創新方法最終克服了其他人無法解決的問題。

不久的將來

根據WPC的時間表,初始版本MP-A17發射器很快將會添加至WPC產品資料庫和測試平台中。NuCurrent目前支援採用此設計的多項商用專案,並期望其它製造商利用其設計和整合技術專業,將這一創新技術應用於家庭、汽車、手機配件和無線充電基礎設施市場。同時,我們期望看到在無線充電領域的更多創新。

(參考原文:Innovative wireless transmitter design advances Qi standard,by Steve Taranovich)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年10月號