解读无线充电新技术—磁感应与磁共振

引言

无线充电技术是电子行业增长最快的领域，得到了广泛应用。消费者对电池供电便携式电子设备的需求，以及极不方便的不断进行充电等因素促使该技术的应用高速增长。具有无线充电功能的便携式设备发展非常迅猛，随着这种趋势的继续，无线充电将成为我们日常生活的一部分，是一种便携式设备使用习惯。

考虑到开发标准、小型化解决方案和低成本等因素，磁感应(MI)和磁共振(MR)是消费类市场上的两种主要无线充电传送技术。由于紧密的磁耦合，MI目前具有较高的电力传送能力，易于设计，转换效率较高，而MR更具空间自由度，每个发射台支持多个接收器件，对近场金属物体的热积累影响较小。在MI领域主要有两种标准：无线充电联盟(WPC)的‘Qi’标准，以及充电事物联盟(PMA)的相关标准。对于目前基于MI的便携式设备设计人员，这带来了能否确保Qi和PMA两种标准兼容的问题。MR标准主要是由A4WP (无线充电联盟)控制的。Qi或者PMA标准的产品兼容性目前还在讨论中，预计明年就会出现基于A4WP的产品。本文介绍无线充电以及相关的MI和MR技术。还会讨论芯片制造商怎样实现当今的MI无线充电接收器IC，帮助克服MI技术的双重标准问题。

高速发展的无线充电技术

在我们日常个人生活以及商业活动中，充电和数据传输所需要的有线连接难免有很多不便之处。无线数据访问已经非常普遍了，而充电却还没有达到相似的无线应用水平。外出旅行时，要带上墙插充电器、电缆和适配器，到处找“公共”电源去充电，非常麻烦。

如果出于多方面的考虑而建设广泛分布的无线充电辅助支撑系统，这会对移动电话很有好处。高亮度大屏幕、功能强大的多核处理器、板上射频阵列、需要实时数据的应用程序，以及新的生物应用等都导致一天要多次充电。消费者要求更轻更薄的设备也推动了这一需求。然而，锂电池的功率密度并没有随之相应的增长。为满足消费者的需求，很多便携式设备生产商已经发售了符合Qi (目前主要的无线充电标准)标准的移动电话。移动电话运营商也希望能够对移动设备不断进行充电，传送无线数据，因此，积极推动建设无线充电传送辅助支撑系统。

要随时随地进行充电，把设备放在能够无线充电的设备表面即可，这要求充电发射台无处不在。在一些前端已经开始了建设。Qi和PMA发射台目前以多种形式用在家庭和办公室中。丰田和克莱斯勒等汽车公司新款汽车采用了Qi发射器，很快还会提供更多的制造/模型和大量的售后汽车解决方案。PMA迅速在一些合作伙伴那里得到了应用，餐馆、零售店、饭店以及其他公共场合都可以实施无线充电辅助支撑系统和智能网络，从而吸引更多的消费者，有可能带来更大的收益。例如，星巴克的“Never PowerlessTM”计划从去年开始，首先在马萨诸塞州波士顿安装，随之在硅谷地区建设新站，中期计划是在美国提供1百多万个充电点。

建设好发射站辅助支撑系统后，对设计支持多种无线充电标准的移动设备最有利。IDT等企业推出的模拟和数字技术发展非常快，最近IMS的研究报告也表明对无线充电的需求很大，今后几年将呈现出高速增长的局面，2016年达到300Mu，2018年达到1Bu。这说明2011年虽然几乎还没有这一市场，但今后会有强劲的增长。

图1.通过无线充电技术，移动电话等便携式设备的使用会更加方便，

人们不用再携带很多专用充电器和电缆。

磁感应(MI)和磁共振(MR)技术

磁感应技术(Qi和PMA)是首先面市的，是新生无线充电市场的主导技术。但是，磁共振(A4WP)相对于MI也很有优势，也面临一些挑战。A4WP 6.78MHz的固定工作频率与Qi的110-205KHz工作范围相比，依据法拉第的电感定律，松耦合因子(位置更灵活)的充电传送效率更高。更高的频率以及更高的线圈电压使得接收线圈更小更薄，移动设备的机械结构更容易实现。高频工作的另一好处是，其表面涡流很小，因此，对发射台附近金属物体的热辐射也很小。这也就意味着，待充电设备(例如，电池)中的杂散金属不会积热。A4WP标准使用了双向Bluetooth®节能(BLE)带外信号，与待充电设备进行通信，对电源进行调节。相反，Qi和PMA使用负载调制单向带内通信方法，将电源调节信息传送回发射器。Qi方法简单，成本低，但是只能处理一个接收器，受限于低速通信，容易受到系统产生的 EMI的影响。

MR实施起来会遇到一些难题，针对大批量应用市场需要进一步采取措施，提供产品解决方案。MR接收器使用了LC谐振腔，高Q因子直接工作在共振频率上。难点是当温度和电压变化时，谐振腔不太容易调整保持在固定共振频率上。出现漂移时，效率会下降。MI标准实现起来简单一些，这是因为工作频率高于共振频率，因此，不需要高Q电路或者高精度无源器件。但是，MR高Q电路的高容差器件成本虽然高，其线圈成本却很低。无屏蔽MR接收线圈也很小，导线要比MI线圈薄，因此，其成本应比那些关键器件低。

无线充电系统产生的电磁辐射是消费者关心的问题，但这已经超出了本文的讨论范围。在机械结构上，MI是紧耦合系统，意味着发射和接收线圈直接接触以支持MI充电传输，其排列方式允许线圈顶部和底部直接使用铁氧体屏蔽层(图2)。这些铁氧体屏蔽层有两种作用：首先，磁通线更靠近线圈，耦合更紧密，磁通线电流也就更大，其次，屏蔽层减小了系统的电磁辐射。MR是松耦合系统，意味着接收器距离发射器会有10厘米远(图3)，因此，不像MI方法那样具有铁氧体屏蔽层的优点。把辐射水平保持在安全限制范围之内是一种技术优势，更有利于无线充电传输技术在消费类市场上的推广。

图2.使用铁氧体屏蔽材料，屏蔽了磁场辐射

图3.磁共振无线充电支持松耦合，空间自由度更大

近期MI双标准挑战

在短期内，两种竞争MI标准：Qi和PMA的同时存在有可能阻碍公共使用无线充电技术的快速部署，例如，机场、咖啡吧和娱乐场所等地点的无线充电台、热点桌和工作台等。它们都是可行的，性能也可靠，因此，看起来都能够部署在公共无线充电热点。理论上，这会导致手持式设备人员到处寻找与其设备兼容的某一无线充电接入点。这无疑会让消费者感到心烦，其应用就会大打折扣。

IDT是开发无线充电解决方案的一家公司，认识到了这一问题，开发无线充电接收器IC来解决这一问题，单片双模式接收器解决方案消除了传输标准之间的兼容性障碍。去年，IDT推出了业界集成度最高的发射器IC解决方案，今年，他们推出了第一款双模式接收器解决方案。采用这些解决方案，移动设备和附件OEM不需要生产多种型号的产品，从而降低了成本，拓展了市场销售空间。OEM使用通用电路布板，只需要一张材料表(BOM)，从而减小了产品体积。

结论

无线充电是一项令人激动的新技术，使得移动电话能够一直保持工作，进一步促进了移动电话革命。通过专用产品充电适配器和麻烦的导线对电池充电非常不方便，是便携式通信和计算最薄弱的一环。现在，快速发展的无线充电辅助支撑系统已经初具规模，今后有一天，我们会把适配器和线缆留在家里，最终彻底抛弃它们。

MR和MI技术各有特色，能够满足各种不同的无线充电应用，都有未来发展空间。在这些方法中，竞争标准是有好处的，因为这有助于推动创新，但是，消费者感受到的困惑和挫折感却是很大的风险。MI双模式接收器技术能够自动在无线充电标准之间无缝切换便携式设备，从而避免了复杂而又麻烦的应用场景问题。